На берегу Женевского озера в Швейцарии, в Федеральной политехнической школе Лозанны, проживает множество робототехников. Здесь также обитает множество птиц, которые проводят большую часть своего времени, занимаясь своими птичьими делами. За редким исключением, эти птицы на самом деле не летают. Летать — это большой труд, и многие птицы поняли, что вместо этого они могут просто ходить по земле, где, как правило, находится вся еда, и не утомлять себя необходимостью снова и снова подниматься в воздух.
«Всякий раз, когда я встречал ворон в кампусе EPFL, я наблюдал, как они ходят, перепрыгивают через препятствия и прыгают, чтобы взлететь, — рассказывает Вон Донг Шин, докторант Лаборатории интеллектуальных систем EPFL. — Я постоянно наблюдал, что они всегда прыгали, чтобы начать полёт, даже в ситуациях, когда они могли использовать только крылья».
Шин — первый автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature, в которой исследуется, почему птицы прыгают, чтобы взлететь, и как это можно с пользой применить к беспилотным летательным аппаратам, которым для отрыва от земли необходимы взлётные полосы или катапульты. Беспилотник RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments), созданный Шином, благодаря своим птичьим ногам может совершать прыжки при взлёте, как это делают вороны, и использовать эти же ноги для передвижения по земле.
Ещё в 2019 году мы писали о южноафриканском стартапе под названием Passerine, у которого была похожая идея, хотя и более сфокусированная на использовании ног для запуска в воздух грузовых дронов с фиксированным крылом. Это привлекательная возможность для дронов, потому что она означает, что вы можете использовать преимущества дальности и выносливости, которые вы получаете с неподвижным крылом, не прибегая к неэффективным трюкам вроде прикрепления кучи дополнительных пропеллеров, чтобы оторваться от земли. «Концепция использования прыжкового взлёта в летательных аппаратах с фиксированным крылом — это общая идея, которую разделяют и RAVEN, и Passerine, — говорит Шин. — Ключевое различие заключается в их направленности: Passerine сосредоточился на механизме, предназначенном исключительно для прыжков, а RAVEN — на многофункциональных ногах».
Вдохновлённый биологией дизайн для дронов
Многофункциональные ноги значительно приближают RAVEN к птицам, и хотя эти механические ноги не так сложны и функциональны, как ноги настоящих птиц, использование некоторых ключевых принципов биологического дизайна (например, способность накапливать и отдавать энергию в сухожильных пружинах, а также гибкие пальцы) позволяет RAVEN передвигаться очень похоже на то, как это делают птицы.
Несмотря на своё название, RAVEN [англ. raven — ворон] размером примерно с ворону, с размахом крыльев 100 см и длиной тела 50 см. Он может пройти метр за менее чем четыре секунды, перепрыгнуть через 12-сантиметровые щели и запрыгнуть на 26-сантиметровое препятствие. При прыжковом взлёте ноги RAVEN поднимают дрон на стартовую высоту почти в полметра, а скорость движения вперёд составляет 2,2 м/с.
Пальцы ног RAVEN особенно интересны, особенно после того, как вы увидите, как бедный робот ныряет клювом вперёд без них:
«Было важно включить пассивный эластичный сустав пальцев ног, чтобы обеспечить несколько вариантов походки и гарантировать, что RAVEN сможет подпрыгнуть под правильным углом для взлёта», — объясняет Шин. У большинства двуногих роботов ноги оснащены приводами, которые позволяют напрямую управлять углом наклона стопы, но для летающего робота нельзя просто так взять и добавить повсюду приводы, потому что они слишком много весят. RAVEN — это 620-граммовый дрон, из которых 230 граммов приходится на ноги, пальцы, актуаторы и прочее.
Зачем добавлять ноги дрону?
Возникает вопрос, стоит ли весь этот дополнительный вес и сложность плюсов, которые дают ноги? В каком-то смысле, безусловно, стоит, потому что робот может делать то, что раньше не мог — ходить по земле и самостоятельно взлетать с неё. Но оказалось, что RAVEN достаточно лёгкий и имеет достаточно мощный мотор, чтобы, будучи поставленным под нужным, он мог взлетать с земли, вообще не прыгая. Другими словами, если заменить ноги парой палочек для мороженого, чтобы направить нос дрона вверх, будет ли это работать так же хорошо для взлёта с земли?
Исследователи проверили это и обнаружили, что взлёты без прыжков были ужасными. Сочетание большого угла атаки и низкой скорости взлёта приводило к очень нестабильному полёту — он получался, но с трудом. Прыжки, напротив, в итоге оказываются примерно в десять раз более энергоэффективными, чем взлёт с места. Как резюмируется в статье, «хотя взлёт в прыжке требует несколько больших затрат энергии, он является наиболее энергоэффективным и быстрым методом преобразования начальной энергии в кинетическую и потенциальную энергию для полёта». Как и птицы, RAVEN может использовать свои ноги для передвижения по земле, что гораздо более энергоэффективно по сравнению с многократными короткими перелётами.
Можно ли масштабировать эту конструкцию до более крупных беспилотников с фиксированным крылом?
Птицы, конечно, используют свои ноги не только для ходьбы, но и для прыжков, и Вон Донг Шин надеется, что RAVEN сможет делать больше с помощью своих ног. Самое очевидное — это использование ног для приземления: «Птицы используют ноги для замедления и уменьшения удара, и этот же принцип можно применить к ногам RAVEN, — говорит Шин, — хотя для планирования действий дрону понадобится система датчиков, воспринимающих окружение, которой у него пока нет. Кроме того, необходимо будет плавать, садиться на землю и цепляться за неё — всё это потребует новой конструкции ног».
Мы также спросили Шина о том, что потребуется для масштабирования этой конструкции, чтобы в какой-то момент она могла нести полезную нагрузку. Шин отмечает, что после определённого размера птицы уже не могут взлетать прыжками, и им приходится либо прыгать с чего-то более высокого, либо искать взлётную полосу. На самом деле, некоторые птицы идут на удивительно сложные меры, только чтобы не взлетать в прыжке, как показывает Дэвид Аттенборо:
Шин отмечает, что инженерные системы обычно легче масштабировать, чем биологические, и он оптимистично полагает, что ноги для прыжков при взлёте можно будет использовать на более крупных беспилотниках с фиксированным крылом, которые подойдут для доставки грузов. В разработке находится система технического зрения, которая может использоваться как для обхода препятствий, так и для посадки, а также крылья, которые могут складываться, чтобы позволить дрону проходить через узкие щели. В конечном итоге, по словам Шина, он хочет сделать дрон как можно более похожим на птицу: «Я также хочу встроить в RAVEN машущие крылья. Это позволит сделать движение более похожим на птичье и даст возможность изучить больше интересных вопросов».
Работа Вон Донг Шина, Хоанг-Ву Фана, Моники А. Дейли, Ауке Дж. Иджсперта и Дарио Флореано из EPFL в Швейцарии и Калифорнийского университета в Ирвайне «Быстрый переход от земли к воздуху с помощью многофункциональных ног, вдохновлённых птицами» опубликована в номере журнала Nature от 4 декабря.
