Engenheiros de Stanford criam robô semelhante a um pássaro empoleirado

Como flocos de neve, não há dois ramos iguais. Eles podem diferir em tamanho, forma e textura; alguns podem estar molhados ou cobertos de musgo ou cheios de ramificações. E, no entanto, os pássaros podem pousar em praticamente qualquer um deles. Essa habilidade foi de grande interesse para os laboratórios dos engenheiros da Universidade de Stanford Mark Cutkosky e David Lentink – agora na Universidade de Groningen, na Holanda – que desenvolveram tecnologias inspiradas em habilidades animais.

“Não é fácil imitar como os pássaros voam e pousam”, disse William Roderick, PhD ’20, que era estudante de pós-graduação em ambos os laboratórios. “Depois de milhões de anos de evolução, eles fazem a decolagem e o pouso parecerem tão fáceis, mesmo com toda a complexidade e variabilidade dos galhos de árvores que você encontraria em uma floresta.”

Anos de estudo em robôs inspirados em animais no Cutkosky Lab e em robôs aéreos inspirados em pássaros no Lentink Lab permitiram que os pesquisadores construíssem seu próprio robô empoleirado. Quando conectado a um drone quadcopter, seu “apanhador aéreo estereotipado inspirado na natureza”, ou SNAG, forma um robô que pode voar, pegar e transportar objetos e pousar em várias superfícies. Mostrando a versatilidade potencial deste trabalho, os pesquisadores o usaram para comparar diferentes tipos de arranjos de pássaros e medir microclimas em uma floresta remota do Oregon.

Nos estudos anteriores dos pesquisadores com papagaios – a segunda menor espécie de papagaio – os pássaros diminutos voavam para frente e para trás entre poleiros especiais, enquanto eram registrados por cinco câmeras de alta velocidade. Os poleiros – representando uma variedade de tamanhos e materiais, incluindo madeira, espuma, lixa e teflon – também continham sensores que capturavam as forças físicas associadas aos pousos, poleiros e decolagens dos pássaros.

“O que nos surpreendeu foi que eles fizeram as mesmas manobras aéreas, independentemente das superfícies em que estavam pousando”, disse Roderick, principal autor do artigo. “Eles permitem que os pés lidem com a variabilidade e a complexidade da própria textura da superfície.” Esse comportamento estereotipado visto em todos os pousos de pássaros é o motivo pelo qual o “S” em SNAG significa “estereotipado”.

Assim como os papagaios, o SNAG aborda cada pouso da mesma maneira. Mas, para dar conta do tamanho do quadricóptero, o SNAG é baseado nas pernas de um falcão peregrino. No lugar dos ossos, tem uma estrutura impressa em 3D – que levou 20 iterações para ficar perfeita – e motores e linhas de pesca substituem músculos e tendões.

Cada perna tem seu próprio motor para mover para frente e para trás e outro para segurar. Inspirado na forma como os tendões circulam ao redor do tornozelo em pássaros, um mecanismo semelhante na perna do robô absorve a energia do impacto da aterrissagem e a converte passivamente em força de preensão. O resultado é que o robô possui uma embreagem especialmente forte e de alta velocidade que pode ser acionada para fechar em 20 milissegundos. Uma vez enrolado em um galho, os tornozelos do SNAG travam e um acelerômetro no pé direito informa que o robô pousou e aciona um algoritmo de equilíbrio para estabilizá-lo.

Durante o COVID-19, Roderick transferiu equipamentos, incluindo uma impressora 3D, do laboratório de Lentink em Stanford para a zona rural do Oregon, onde montou um laboratório no porão para testes controlados. Lá, ele enviou SNAG ao longo de um sistema ferroviário que lançou o robô em diferentes superfícies, em velocidades e orientações predefinidas, para ver como ele se comportava em vários cenários. Com o SNAG no lugar, Roderick também confirmou a capacidade do robô de pegar objetos jogados com a mão, incluindo um boneco de presa, um saco de feijão e uma bola de tênis. Por fim, Roderick e SNAG se aventuraram na floresta próxima para alguns testes no mundo real.

No geral, o SNAG teve um desempenho tão bom que os próximos passos no desenvolvimento provavelmente se concentrarão no que acontece antes do pouso, como melhorar a consciência situacional do robô e o controle de voo.

Aplicativos

Existem inúmeras aplicações possíveis para este robô, incluindo busca e salvamento e monitoramento de incêndios florestais; ele também pode ser conectado a outras tecnologias além de drones. A proximidade do SNAG com as aves também permite insights únicos sobre a biologia das aves. Por exemplo, os pesquisadores executaram o robô com dois arranjos diferentes de dedos – anisodáctilo, que tem três dedos na frente e um atrás, como um falcão peregrino, e zigodáctilo, que tem dois dedos na frente e dois atrás, como um papagaio. Eles descobriram, para sua surpresa, que havia muito pouca diferença de desempenho entre os dois.

Para Roderick, cujos pais são biólogos, uma das aplicações mais interessantes do SNAG é na pesquisa ambiental. Para isso, os pesquisadores também conectaram um sensor de temperatura e umidade ao robô, que Roderick usou para registrar o microclima em Oregon.

“Parte da motivação subjacente deste trabalho foi criar ferramentas que possamos usar para estudar o mundo natural”, disse Roderick. “Se pudéssemos ter um robô que pudesse agir como um pássaro, isso poderia desbloquear maneiras completamente novas de estudar o meio ambiente.”