Het vliegen met een onbemand luchtvaartuig (UAV) zoals drones of quadcopters is een opwindende ervaring, maar ze veiliger landen is niet leuk, vooral niet wanneer die UAV's zijn ontworpen voor militaire operaties en miljoenen dollars kosten.
De huidige UAV's zijn enigszins beperkend omdat ze vaste en stijve vleugels hebben die de flexibiliteit bij het vliegen verminderen. Om de werking van huidige UAV's met vaste vleugels uit te breiden, hebben onderzoekers in het verleden verschillende experimenten uitgevoerd met morphing-vleugelstructuren, geïnspireerd door vogels. Ze gebruikten machine learning-algoritmen om een vluchtcontroller te leren met behulp van inspiratie uit de natuur.
Een team van onderzoekers van Bristol University en BMT Defense Services gebruikte een standaard RC-vliegtuig met een uniek gevormde vleugel. Zoals te zien is in de onderstaande video, kan de vleugel zichzelf tijdens het vliegen opnieuw vormen, waardoor het systeem kan zwaaien terwijl het landt als een vogel die zijn baars nadert. Deze veranderende vleugel schept door de lucht, stuurt de UAV iets omhoog en dan op een veel scherper en korter pad. Helaas zijn de onderzoekers er niet in geslaagd de grijpklauwen te perfectioneren om het landingsgestel te vervangen, maar ze hebben de duikbeweging redelijk goed onder de knie.
Om deze puzzel op te lossen en luchtrobots te maken die landen als een vogel, bestuderen Stanford-onderzoekers vogels met vijf hogesnelheidscamera's. Afgestudeerde studente Diana Chin gebruikt een kleine, lichtblauwe vogel genaamd Gary om haar onderzoek uit te voeren. Wanneer Diana met haar vinger wijst, vliegt Gary naar een baars bedekt met teflon, waardoor het schijnbaar onmogelijk is om vast te houden. Gary's succesvolle landing op de teflon - en andere palen van een verscheidenheid aan materialen - leert onderzoekers hoe ze machines kunnen maken die landen als een vogel.
“Moderne luchtrobots hebben meestal ofwel een landingsbaan of een vlak oppervlak nodig om gemakkelijk te kunnen opstijgen en landen. Voor een vogel is er bijna overal een potentiële landingsplaats, zelfs in steden. We wilden begrijpen hoe dit wordt bereikt en welke dynamiek en krachten erbij betrokken zijn”, zegt Chin, universitair docent werktuigbouwkunde.
Zelfs de meest geavanceerde robots zijn lang niet in de buurt van het vermogen van dieren om objecten van verschillende vormen, maten en texturen te grijpen. De onderzoekers verzamelden daarom gegevens over de landing van Gary en twee andere vogels op verschillende oppervlakken, waaronder een verscheidenheid aan natuurlijke zitstokken en kunstmatige zitstokken bedekt met schuim, schuurpapier en teflon.
Het onderzoek, dat op 6 augustus in eLife is gepubliceerd, omvat gedetailleerde onderzoeken naar wrijving veroorzaakt door klauwen en poten van vogels. De onderzoekers hebben uit dit werk ontdekt dat het geheim van de veelzijdigheid van de papegaai in de greep zit.
“Toen we voor het eerst onze gegevens over de naderingssnelheid en krachten bij het landen van de vogel verwerkten, zagen we geen duidelijke verschillen. Maar toen begonnen we te kijken naar de kinematica van de voeten en klauwen – de details van hoe ze ze bewogen – en ontdekten dat ze ze hadden aangepast om aan de landing te blijven plakken,” herinnert Chin zich.
Afhankelijk van hun observatie bij de landing, varieerde de mate waarin vogels hun tenen omwikkelden en hun klauwen krulden. Op ruwe of zachte oppervlakken - zoals middelgroot schuim, schuurpapier en rotsachtige houten zitstokken - kunnen hun poten hoge knijpkrachten genereren met weinig hulp van de klauwen. Op de zitstokken die het moeilijkst vast te pakken waren - het zijdehout, de teflon en de grote berk - krulden de vogels hun klauwen meer en sleepten ze langs het zitoppervlak totdat ze veilig waren.
Deze variabele grip suggereert dat onderzoekers de controle over de naderende landing kunnen scheiden van de acties die nodig zijn voor een succesvolle landing bij het bouwen van robots om op verschillende oppervlakken te landen. Hun metingen hebben ook aangetoond dat de vogels hun klauwen in slechts 1 tot 2 milliseconden van de ene grijpbare bult of put naar de andere kunnen verplaatsen. (Het duurt ongeveer 100 tot 400 milliseconden voordat een mens knippert.)