Op vogels geïnspireerd landingssysteem voor drones

Van vogels is bekend dat ze letterlijk een handvat hebben om veilig op takken en dergelijke te landen. Net als bij het been-klauwsysteem hebben onderzoekers nu een robotconcept ontwikkeld waarmee drones op takken kunnen gaan zitten of objecten kunnen grijpen. In de toekomst zou ‘SNAG’ vliegtuigen in staat kunnen stellen om energiezuinige pauzes te nemen bij het verkennen van de natuurlijke omgeving.

Dik, dun, bol, glibberig…: De takken kunnen veel verschillende kenmerken hebben, maar vogels kunnen zonder problemen op de meeste exemplaren landen. Het is duidelijk dat de functie van hun klauwen en benen samen met hun evenwichtsgevoel dit aanpassingsvermogen kan garanderen. Ook vanuit artistiek oogpunt is dit een interessant natuurconcept. Want tot nu toe waren de mogelijkheden om vliegtuigen te landen op doelen met oneffen oppervlakken beperkt. Zo zijn methoden voor het vangen en vestigen van vogels in de belangstelling komen te staan ​​voor onderzoekers die samenwerken met William Rodrik van Stanford University.

Onderzoeken naar het landingsgedrag van jonge papegaaien vormden de basis voor de technische implementatie van Nature’s Patent. Wetenschappers legden de dieren vast met behulp van hogesnelheidscamera’s terwijl ze heen en weer vlogen tussen speciale zitstokken. De doelen waren van verschillende afmetingen en bestonden uit verschillende materialen zoals hout, schuim, schuurpapier of teflon. De slaapplaatsen bevatten ook sensoren die de fysieke krachten registreren die optreden wanneer de babypapegaaien landen, zitten en opstijgen.

Natuurlijke modelanalyse

“Het verbazingwekkende is dat de dieren dezelfde manoeuvres uitvoerden, ongeacht op welk oppervlak ze landden”, zegt Rodrik. “Ze lieten het als het ware aan de voeten over om redelijk te reageren op de diversiteit en complexiteit van de oppervlaktestructuur.” De onderzoekers leggen uit dat het niet om “opzettelijk” gedrag gaat, maar eerder om een ​​onverwacht, fenotypisch mechanisme dat ten grondslag ligt aan het flexibele landingsvermogen van de vogels. Dit principe en andere aspecten gebruikten ze vervolgens als basis voor het ontwikkelen van hun concept van de artistieke toepassing van het dierlijke systeem.

Dit is hoe het Modular Nature Inspired Air Pistol (SNAG) is ontstaan ​​- een technisch been- en klauwsysteem dat aan een quad-drone kan worden bevestigd. Om rekening te houden met de grootte van de quadrocopter, zijn SNAG-elementen ontworpen op de poot- en klauwstructuren van de haviken. De botten worden nagebootst door 3D-geprinte plastic elementen en de functie van spieren en pezen wordt uitgevoerd door actuatoren en vislijnen. Elk been in het concept heeft een stuwkrachtelement om heen en weer te bewegen en een ander om grip mogelijk te maken.

Ook geïnspireerd door structuren en processen die bij vogels worden gebruikt, absorbeert het systeemmechanisme van de robot schokenergie tijdens de landing en zet deze passief om in een grijpkracht. Het resultaat is dat SNAG een bijzonder sterke en snelle koppeling heeft die binnen 20 milliseconden kan worden in- en uitgeschakeld, legden de ontwikkelaars uit. Zodra het mechanisme een tak onder controle heeft, meldt de geïntegreerde versnellingsmeter de landing op het systeem en activeert de stabilisatiefunctie: een speciaal compensatie-algoritme zorgt ervoor dat de drone zich in een stabiele positie bevindt.

Veelbelovende testresultaten

De onderzoekers hebben de prestaties van het systeem al aangetoond door middel van praktische tests. Op deze manier konden ze aantonen dat een drone die is uitgerust met SNAG veilig kan landen op objecten met een ander ontwerp. Bovendien kunnen kleine voorwerpen worden vastgepakt en meegenomen. Experimenten hebben aangetoond dat de tentakels van de techneut zo snel reageren op contact dat ze voorwerpen kunnen grijpen die zijn gegooid, zoals een zak vol bonen of een tennisbal.

De prestaties van SNAP onder natuurlijke omstandigheden werden ook aangetoond: de wetenschappers meldden dat tests van het landen op takken in het bos tot veelbelovende resultaten leidden. Om het concept verder te ontwikkelen, willen ze zich nu richten op het verbeteren van de voorbereiding op de landing in complexe omgevingen. Dit vereist bijvoorbeeld het verbeteren van de mogelijkheden van de positiedetectie en vluchtbesturing van het robotsysteem.

Wanneer het landingssysteem volledig is ontwikkeld, kan het een aantal toepassingen hebben, zeggen Rodrik en collega’s. Het potentieel zit vooral in de pauzes. Omdat de grote vraag naar energie en het gebrek aan landingsmogelijkheden het gebruik van drones tot nu toe sterk hebben beperkt. Een mogelijk toepassingsgebied van dit systeem is opsporing en redding of bosbrandbewaking. De onderzoekers benadrukken echter vooral het mogelijke gebruik van SNAG in milieuonderzoek: “Een deel van de motivatie voor dit werk was het ontwikkelen van hulpmiddelen die we kunnen gebruiken om de natuurlijke wereld te verkennen”, zegt Rodrik. “Als we een robot hadden die zich als een vogel zou kunnen gedragen, zou hij geheel nieuwe manieren kunnen openen om naar de omgeving te zoeken”, zegt de wetenschapper.

Bron: Stanford University, technisch artikel: Wetenschap Robotica, doi: 10.1126/scirobotics.abj7562

© Wissenschaft.de – Martin Vieweg