Ptak lądujący na gałęzi sprawia, że manewr wygląda na najłatwiejszą rzecz na świecie, ale w rzeczywistości siadanie wymaga niezwykle delikatnej równowagi czasu, dużej siły uderzenia, szybkości i precyzji. Jest to ruch tak złożony, że żaden robot z trzepoczącymi skrzydłami (ornitopter) nie był w stanie go opanować do tej pory.
Raphael Zufferey, doktor habilitowany w Laboratorium Inteligentnych Systemów (LIS) i Biorobotyki ab (BioRob) w Szkole Inżynierii, jest pierwszym autorem niedawnego artykułu Nature Communications opisującego unikalne podwozie, które umożliwia takie przysiadanie. Zbudował go i przetestował we współpracy z kolegami z Uniwersytetu w Sewilli w Hiszpanii, gdzie sam 700-gramowy ornitopter został opracowany w ramach europejskiego projektu GRIFFIN.
„To pierwszy etap większego projektu. Gdy ornitopter potrafi samodzielnie lądować na gałęzi drzewa, ma potencjał do wykonywania określonych zadań, takich jak dyskretne pobieranie próbek biologicznych lub pomiary z drzewa. W końcu może nawet wylądować na sztucznych strukturach, co może otworzyć dalsze obszary zastosowań” – mówi Zufferey.
Dodaje, że możliwość lądowania na grzędzie może zapewnić ornitopterom – które podobnie jak wiele bezzałogowych statków powietrznych (UAV) mają ograniczoną żywotność baterii – bardziej efektywny sposób ładowania za pomocą energii słonecznej, co potencjalnie czyni je idealnymi do misji dalekiego zasięgu.
„To duży krok w kierunku wykorzystania robotów z trzepoczącymi skrzydłami, które na razie mogą wykonywać tylko swobodne loty, do zadań manipulacyjnych i innych rzeczywistych zastosowań” — mówi.
Maksymalizacja siły i precyzji; minimalizując wagę i prędkość
Problemy inżynieryjne związane z lądowaniem ornitoptera na grzędzie bez żadnych zewnętrznych poleceń wymagały zarządzania wieloma czynnikami, które natura już tak doskonale zrównoważyła. Ornitopter musiał być w stanie znacznie zwolnić, gdy usiadł, jednocześnie utrzymując lot. Pazur musiał być wystarczająco mocny, aby uchwycić grzędę i utrzymać ciężar robota, ale nie być tak ciężki, aby nie można go było utrzymać w górze. „To jeden z powodów, dla których wybraliśmy jeden pazur zamiast dwóch” — zauważa Zufferey. Wreszcie, robot musiał być w stanie postrzegać swoje otoczenie i grzędę przed nim w odniesieniu do własnej pozycji, prędkości i trajektorii.
Naukowcy osiągnęli to wszystko, wyposażając ornitoptera we w pełni pokładowy komputer i system nawigacyjny, który został uzupełniony o zewnętrzny system przechwytywania ruchu, który pomagał mu określić jego pozycję. Końcówka pazura ornitoptera została precyzyjnie skalibrowana, aby zrekompensować oscylacje lotu w górę iw dół, gdy próbował naostrzyć i chwycić grzędę. Sam pazur został zaprojektowany tak, aby pochłaniał pęd robota do przodu po uderzeniu oraz zamykał się szybko i pewnie, aby utrzymać jego ciężar. Po usadowieniu robot pozostaje na grzędzie bez wydatku energetycznego.
Nawet biorąc pod uwagę wszystkie te czynniki, Zufferey i jego współpracownicy odnieśli sukces, ostatecznie budując nie tylko jeden, ale dwa ornitoptery z pazurami, aby powtórzyć ich wyniki w siadaniu.
Patrząc w przyszłość, Zufferey już myśli o tym, jak można rozszerzyć i ulepszyć swoje urządzenie, zwłaszcza w warunkach zewnętrznych.
„W tej chwili eksperymenty z lotami przeprowadzane są w pomieszczeniach, ponieważ potrzebujemy kontrolowanej strefy lotu z precyzyjną lokalizacją z systemu motion capture. W przyszłości chcielibyśmy zwiększyć autonomię robota, aby wykonywać zadania związane z siadaniem i manipulacją na zewnątrz w bardziej nieprzewidywalnym środowisku”.
Bibliografia
Zufferey R., Tormo-Barbero J., Feliu-Talegón D. et al. Jak ornitoptery mogą samodzielnie siadać na gałęzi. Nat Commun 13, 7713 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35356-5