Att flyga ett obemannat flygfordon (UAV) som drönare eller quadcoptrar är en spännande upplevelse, men det är inte roligt att landa dem säkrare, särskilt när dessa UAV är designade för militära operationer och kostar miljontals dollar.
Nuvarande UAV är något restriktiva eftersom de har fasta och styva vingar som minskar flexibiliteten vid flygning. För att utöka driften av nuvarande fastvingade UAV:er har forskare utfört flera experiment i det förflutna med morphing vingstrukturer, inspirerade av fåglar, de använde maskininlärningsalgoritmer för att lära sig en flygkontroll med inspiration från naturen.
Ett team av forskare från Bristol University och BMT Defence Services använde ett standard RC-flygplan med en unikt formad vinge. Som det visas i videon nedan kan vingen omforma sig själv när den flyger, vilket gör att systemet kan svänga när det landar som en fågel som närmar sig sin abborre. Denna morphing vinge öser sig genom luften, skickar UAV upp något, och sedan på en mycket skarpare och kortare väg. Tyvärr har forskarna inte kunnat perfekta gripklorna för att ersätta landningsstället, men de har fått ner sveprörelsen ganska bra.
För att lösa detta pussel och skapa flygrobotar som landar som en fågel studerar Stanford-forskare fåglar med fem höghastighetskameror. Doktorand Diana Chin använder en liten, blekblå fågel som heter Gary för att utföra sin forskning. När Diana pekar med fingret flyger Gary till en abborre täckt av teflon, vilket gör det till synes omöjligt att hålla fast. Garys framgångsrika touchdown på teflon – och andra stolpar av en mängd olika material – lär forskare hur man skapar maskiner som landar som en fågel.
"Moderna flygrobotar kräver vanligtvis antingen en bana eller en plan yta för enkel start och landning. För en fågel finns det en potentiell landningsplats nästan överallt, även i städer. Vi ville förstå hur detta uppnås och vilken dynamik och krafter som är involverade”, säger Chin, biträdande professor i maskinteknik.
Inte ens de mest avancerade robotarna är i närheten av djurens förmåga att greppa föremål av olika former, storlekar och texturer. Forskarna samlade därför in data om Gary och två andra fåglars landning på olika ytor som inkluderar en mängd naturliga sittpinnar och konstgjorda sittpinnar täckta med skum, sandpapper och teflon.
Forskningen, som publicerades i eLife den 6 augusti, inkluderar detaljerade studier av friktion producerad av klor och ben på fåglar. Forskarna har funnit från detta arbete att hemligheten bakom papegojans mångsidighet ligger i greppet.
"När vi först bearbetade vår data om inflygningshastighet och krafter när fågeln landade såg vi inga uppenbara skillnader. Men sedan började vi titta på kinematiken hos fötterna och klorna – detaljerna om hur de flyttade dem – och upptäckte att de anpassade dem för att hålla fast vid landningen”, mindes Chin.
Beroende på deras observation vid landning varierade i vilken utsträckning fåglarna lindade tårna och krökte klorna. På grova eller squishy ytor - såsom medelstort skum, sandpapper och steniga trä sittpinnar - deras ben kan generera höga klämkrafter med liten hjälp från klorna. På de sittpinnar som var svårast att greppa – tandtråden, teflon och den stora björken – krullade fåglarna klorna mer och släpade dem längs sittplatsytan tills de satt fast.
Detta variabla grepp tyder på att forskare kan skilja kontrollen av närmande landning från de åtgärder som behövs för en framgångsrik landning när man bygger robotar för att landa på en mängd olika ytor. Deras mätningar har också visat att fåglarna kan flytta sina klor på bara 1 till 2 millisekunder från en gripbar bula eller grop till en annan. (Det tar cirka 100 till 400 millisekunder för en människa att blinka.)