像雪花一样，没有两个树枝是相同的。它们的大小、形状和质地各不相同；有些可能是湿漉漉的，或布满苔藓，或迸发着分支。然而，鸟类可以降落在几乎所有的树枝上。斯坦福大学工程师Mark Cutkosky和David Lentink的实验室对这种能力非常感兴趣--他们现在在荷兰的格罗宁根大学--都开发了受动物能力启发的技术。

20岁的博士William Roderick说：“模仿鸟类的飞行和栖息方式并不容易，他曾是这两个实验室的研究生。经过数百万年的进化，它们使起飞和降落看起来如此容易，即使在你在森林中发现的所有复杂和多变的树枝中也是如此。"

在Cutkosky实验室对动物启发的机器人和在Lentink实验室对鸟类启发的空中机器人进行了多年的研究，使研究人员能够建立他们自己的栖息机器人，详细内容见12月1日发表在《科学机器人》上的一篇论文。当连接到一架四旋翼无人机上时，他们的 "立体自然启发式空中抓取器"，或SNAG，形成了一个可以飞来飞去、抓取和携带物体并在各种表面栖息的机器人。研究人员用它来比较不同类型的鸟类脚趾排列，并测量俄勒冈州一个偏远森林中的微气候，显示了这项工作的潜在通用性。

森林中的鸟类机器人

在研究人员之前对鹦鹉--第二小的鹦鹉物种--的研究中，身材矮小的鸟儿在特殊的栖息地之间来回飞行，同时被五台高速摄像机记录下来。栖架--代表各种尺寸和材料，包括木头、泡沫、砂纸和特氟隆--还包含传感器，可以捕捉到与鸟类着陆、栖息和起飞有关的物理力。

"令我们惊讶的是，无论它们在什么表面上降落，它们都做着同样的空中动作，"论文的主要作者罗德里克说。"它们让脚来处理表面纹理本身的可变性和复杂性。" 在每只鸟的降落中看到的这种公式化的行为是SNAG中的 "S "代表 "刻板 "的原因。

就像鹦鹉一样，SNAG以同样的方式对待每一次落地。但是，为了说明四旋翼飞机的尺寸，SNAG是以游隼的腿为基础的。它有一个3D打印的结构--花了20次迭代才完善--代替骨头，电机和鱼线代替肌肉和肌腱。

每条腿都有自己的马达，用于前后移动，另一条腿用于处理抓取。受鸟类脚踝处肌腱走向的启发，机器人腿部的类似机制吸收着陆时的冲击能量并被动地将其转化为抓取力。其结果是，该机器人有一个特别强大的高速离合器，可以在20毫秒内被触发关闭。一旦缠住树枝，SNAG的脚踝就会被锁定，右脚上的加速器报告机器人已经着陆，并触发平衡算法来稳定它。

在COVID-19期间，罗德里克将包括一台3D打印机在内的设备从斯坦福大学的Lentink实验室搬到了俄勒冈州的农村，在那里他建立了一个地下室实验室进行控制测试。在那里，他让SNAG沿着一个轨道系统，以预定的速度和方向向不同的表面发射机器人，以观察它在各种情况下的表现。在SNAG被固定住的情况下，罗德里克还确认了机器人接住用手抛出的物体的能力，包括一个猎物假人、一个玉米洞豆袋和一个网球。最后，罗德里克和SNAG冒险进入附近的森林，在真实世界中进行一些试运行。

总的来说，SNAG的表现非常好，接下来的发展步骤可能会集中在着陆前发生的事情上，例如改善机器人的态势感知和飞行控制。

回归自然

这种机器人有无数可能的应用，包括搜索和救援以及野火监测；它还可以附加到无人机以外的技术上。SNAG与鸟类的亲近也让我们对鸟类生物学有了独特的见解。例如，研究人员用两种不同的脚趾排列方式运行机器人--anisodactyl，即前面有三个脚趾，后面有一个，像游隼；zygodactyl，即前面有两个脚趾，后面有两个，像鹦鹉。他们惊讶地发现，两者之间的性能差异很小。

对于父母都是生物学家的罗德里克来说，SNAG最令人兴奋的可能应用之一是环境研究。为此，研究人员还在机器人上安装了一个温度和湿度传感器，罗德里克用它来记录俄勒冈州的小气候。

"这项工作的部分基本动机是创造我们可以用来研究自然世界的工具，"罗德里克说。"如果我们能有一个能像鸟一样行动的机器人，那就能开启研究环境的全新方式。"

作为论文的资深作者，Lentink赞扬了罗德里克在被证明是一个长达数年的项目中的坚持不懈。"Lentink说："实际上是Will六年前与伯克利的几位生态学家交谈，然后写下了他的国家科学基金会关于栖息的空中机器人用于环境监测的研究报告，从而启动了这项研究。"事实证明，威尔的研究是及时的，因为现在有一个1000万美元的XPRIZE，用于监测雨林中的生物多样性这一挑战。"

本文的共同作者Mark Cutkosky是工程学院的Fletcher Jones教授，也是斯坦福Bio-X和Wu Tsai Neurosciences研究所的成员。David Lentink是荷兰格罗宁根大学生物仿生学小组的联合主席和科学与工程副教授。

这项研究得到了空军科学研究办公室和国家科学基金会的资助。