Des ingénieurs de Stanford créent un robot ressemblant à un oiseau perché

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Avec des pieds et des jambes comme un faucon pèlerin, les ingénieurs ont créé un robot qui peut se percher et transporter des objets comme un oiseau.


Comme les flocons de neige, il n’y a pas deux branches identiques. Ils peuvent différer en taille, forme et texture; certains peuvent être humides ou couverts de mousse ou exploser de ramifications. Et pourtant, les oiseaux peuvent se poser sur à peu près n’importe lequel d’entre eux. Cette capacité a été d’un grand intérêt pour les laboratoires des ingénieurs de l’Université de Stanford Mark Cutkosky et David Lentink – maintenant à l’Université de Groningen aux Pays-Bas – qui ont tous deux développé des technologies inspirées des capacités animales.

“Ce n’est pas facile d’imiter comment les oiseaux volent et se perchent”, a déclaré William Roderick, PhD ’20, qui était un étudiant diplômé dans les deux laboratoires. “Après des millions d’années d’évolution, ils rendent le décollage et l’atterrissage si faciles, même parmi toute la complexité et la variabilité des branches d’arbre que vous trouveriez dans une forêt”.

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Des années d’études sur les robots inspirés des animaux dans le Cutkosky Lab et sur les robots aériens inspirés des oiseaux dans le Lentink Lab ont permis aux chercheurs de construire leur propre robot perchoir, détaillé dans un article publié le 1er décembre dans Science Robotics. Lorsqu’ils sont attachés à un drone quadricoptère, leur «pince aérienne stéréotypée inspirée de la nature», ou SNAG, forme un robot qui peut voler, attraper et transporter des objets et se percher sur diverses surfaces. Montrant la polyvalence potentielle de ce travail, les chercheurs l’ont utilisé pour comparer différents types d’arrangements d’orteils d’oiseau et pour mesurer les microclimats dans une forêt éloignée de l’Oregon.

Un robot oiseau dans la forêt

Dans les études précédentes des chercheurs sur les perroquets – la deuxième plus petite espèce de perroquet – les petits oiseaux ont volé dans les deux sens entre des perchoirs spéciaux tout en étant enregistrés par cinq caméras à grande vitesse. Les perchoirs – représentant une variété de tailles et de matériaux, notamment du bois, de la mousse, du papier de verre et du téflon – contenaient également des capteurs qui capturaient les forces physiques associées à l’atterrissage, au perchage et au décollage des oiseaux.

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“Ce qui nous a surpris, c’est qu’ils ont effectué les mêmes manœuvres aériennes, quelles que soient les surfaces sur lesquelles ils atterrissaient”, a déclaré Roderick, auteur principal de l’article. “Ils laissent les pieds gérer la variabilité et la complexité de la texture de la surface elle-même”.  Ce comportement stéréotypé observé à chaque atterrissage d’oiseau est la raison pour laquelle le «S» dans SNAG signifie “stéréotypé”. Tout comme les perroquets, SNAG aborde chaque palier de la même manière. Mais, afin de tenir compte de la taille du quadcopter, SNAG est basé sur les pattes d’un faucon pèlerin. Au lieu d’os, il a une structure imprimée en 3D – qui a pris 20 itérations pour se perfectionner – et des moteurs et des lignes de pêche remplacent les muscles et les tendons.

Chaque jambe a son propre moteur pour se déplacer d’avant en arrière et un autre pour gérer la préhension. Inspiré de la façon dont les tendons se dirigent autour de la cheville chez les oiseaux, un mécanisme similaire dans la jambe du robot absorbe l’énergie d’impact à l’atterrissage et la convertit passivement en force de préhension. Le résultat est que le robot dispose d’un embrayage particulièrement puissant et à grande vitesse qui peut être déclenché pour se fermer en 20 millisecondes. Une fois enroulé autour d’une branche, les chevilles de SNAG se bloquent et un accéléromètre sur le pied droit signale que le robot a atterri et déclenche un algorithme d’équilibrage pour le stabiliser.

Pendant COVID-19, Roderick a déplacé des équipements, y compris une imprimante 3D, du laboratoire de Lentink à Stanford vers l’Oregon rural où il a mis en place un laboratoire en sous-sol pour des tests contrôlés. Là, il a envoyé SNAG le long d’un système de rail qui a lancé le robot sur différentes surfaces, à des vitesses et des orientations prédéfinies, pour voir comment il fonctionnait dans divers scénarios. Avec SNAG maintenu en place, Roderick a également confirmé la capacité du robot à attraper des objets lancés à la main, notamment un mannequin de proie, un sac de haricots en maïs et une balle de tennis. Enfin, Roderick et SNAG se sont aventurés dans la forêt voisine pour des essais dans le monde réel.

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Dans l’ensemble, SNAG a si bien fonctionné que les prochaines étapes du développement se concentreraient probablement sur ce qui se passe avant l’atterrissage, comme l’amélioration de la connaissance de la situation et du contrôle de vol du robot.

Retour à la nature

Il existe d’innombrables applications possibles pour ce robot, y compris la recherche et le sauvetage et la surveillance des incendies de forêt ; il peut également être rattaché à d’autres technologies que les drones. La proximité du SNAG avec les oiseaux permet également un aperçu unique de la biologie aviaire. Par exemple, les chercheurs ont fait fonctionner le robot avec deux arrangements d’orteils différents: l’anisodactyle, qui a trois orteils à l’avant et un à l’arrière, comme un faucon pèlerin, et le zygodactyle, qui a deux orteils à l’avant et deux à l’arrière, comme un perroquet. Ils ont constaté, à leur grande surprise, qu’il y avait très peu de différence de performance entre les deux.

Pour Roderick, dont les parents sont tous deux biologistes, l’une des applications les plus excitantes possibles du SNAG est la recherche environnementale. À cette fin, les chercheurs ont également attaché un capteur de température et d’humidité au robot, que Roderick a utilisé pour enregistrer le microclimat de l’Oregon. “Une partie de la motivation sous-jacente de ce travail était de créer des outils que nous pouvons utiliser pour étudier le monde naturel”, a déclaré Roderick. “Si nous pouvions avoir un robot qui pourrait agir comme un oiseau, cela pourrait ouvrir de toutes nouvelles façons d’étudier l’environnement”.

Lentink, auteur principal de l’article, a salué la persévérance de Roderick dans ce qui s’est avéré être un projet de plusieurs années. “C’est vraiment Will qui a parlé avec plusieurs écologistes à Berkeley il y a six ans, puis qui a écrit sa bourse NSF sur les robots aériens perchés pour la surveillance de l’environnement qui a lancé cette recherche”, a déclaré Lentink. “Les recherches de Will se sont avérées opportunes car il existe désormais un XPRIZE de 10 millions de dollars pour ce défi de surveillance de la biodiversité dans les forêts tropicales”.

Voir la publication

W. R. T. Roderick, M. R. Cutkosky, D. Lentink. Bird-inspired dynamic grasping and perching in arboreal environments. Science Robotics, 2021; 6 (61) DOI : 10.1126/scirobotics.abj7562

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