空中抓取器很酷炫？鸟儿：还不是我的爪子给你的灵感
动图：SNAG 能够像鸟类一样紧紧的抓住物体降落（图片来源：https：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562）
两位科学家，美国斯坦福大学的工程师MarkCutkosky 和荷兰格罗宁根大学的 David Lentink，受到鸟类启发，发明了搭载于无人机上的机械爪SNAG，登上了著名科学刊物Science Robotics的封面。
目前，这种机械爪已经成功搭载在了他们所制造的无人机上，并进行了多个维度的实验与实际任务测试。
鸟儿为什么能够掌握这项本领？科学家又是怎样从鸟儿这里学到技巧，从而给无人机也加上这样一双靠谱的爪子呢？
Part.1
一双结构神奇、骨骼精奇的爪子
鸟儿的种类繁多，抓住树枝的能力也不太相同。诸如鸵鸟、火烈鸟，或是鸭子一类的鸟，本身不具备长距离飞行和栖息在树上的能力，爪子的抓握能力自然相对较弱；而其它大多数鸟类，不用说稳稳站在树枝上，就算是在上面睡觉也轻而易举。
事实上，鸟类这项能力最大的功臣就是它特殊的爪子结构。从表皮到肌肉，到韧带再到骨骼，千万年的进化让鸟儿爪子的每一个细节都为“抓握”这个小动作量身定制。
先从外皮说起。相信大家都吃过一道菜——“虎皮凤爪”，我们仔细观察就会发现，鸡爪表面都是一块块的小疙瘩，而且与地面接触的部分，疙瘩更加细密。而其他大部分鸟的趾爪也具有这种鳞片状的角质硬皮结构，它能够最大限度地增加鸟类爪子与地面的接触面积和摩擦力，让鸟儿即使在光滑的电线上也能抓得稳稳当当。
此外，这层外皮既坚硬又没有痛觉神经，保证鸟儿看见树枝或是粗糙的地面，能不假思索地落下去停稳，不用考虑被割伤划伤。
不仅是爪子的外皮有讲究，鸟的肌肉、韧带、骨骼更像是一座严丝合缝的精致机器。大部分鸟的四个趾爪有三个在前，一个在后，这些趾爪又细又长，适合环绕贴紧不同粗细的树枝。而当鸟爪抓住树枝后，鸟儿会迅速蹲下后半身，弯曲腿，屈肌腱也随之自动绷紧，带动爪子扣紧树枝。“坐下”这一微小的动作仿佛带动了一系列机关，一气呵成。此时，扣紧的爪子就如同“上了锁”，即使打个盹也不会轻易松开。
Part.2
睡觉需要、捕食需要，这是一双很忙的爪子
看到这儿，你是不是觉得鸟儿“上了锁”的爪子必定是力量满满？让人意想不到的是，与人类的手抓取物体时肌肉紧绷不同，鸟类爪子扣紧时肌肉是松弛的，也就是鸟类在下落起飞时才需要使力，停靠在树枝上抓紧树干却毫不费劲。
正因如此，鸟儿们才能轻松地站在树枝上歇息打盹。再加上鸟类的睡眠程度通常较浅，它们甚至可以做到一半大脑正在睡眠，另一半大脑保持清醒，因此在树上打盹的时候，鸟儿依旧可以调节身体各个部分，保持平衡。
这样精巧灵活而又健壮有力的爪子，同样是许多鸟类捕猎的利器。肉食性鸟类主要的武器便是嘴和爪子，而鹰是将这两样武器是用到极致的佼佼者。鹰爪握力超越人的十倍，可以轻易刺穿大型动物的头骨，是实打实的利器。正因鸟爪如此精密而实用，所以科学家们在创造发明时，从中获得了许多灵感。
Part.3
机械爪SNAG：人类向鸟儿拜师的又一成果
较早时期，人类学习鸟类飞行的原理，改善并发明应用了飞机。之后螺旋翼的直升机和小型无人机尽管与鸟的结构不再类似，可人们仍能从鸟类身上获得很多的灵感，然后加装到无人机上。而今天的机械爪SNAG，正是人类向鸟儿拜师的又一成果。
SNAG采用3D打印技术制作，材料轻便，坚固耐用。整体结构均仿照鹰爪，包括趾爪表皮、骨骼以及关键的联动肌腱。
SNAG表面具有增大摩擦力的趾垫和爪尖，保证其与接触表面充足的摩擦力。用齿轮和连接杆组成的、类似鹰爪骨骼肌腱的传动结构，保证了抓握的牢固性和低能耗。与鸟类肌肉特点相似，在保持静态抓握时，SNAG也是处于自然的低能耗状态。
这项仿照鹰爪的设计大获成功，SNAG能够长时间抓握在不同物体表面，包括足够承载无人机重量的树枝和凹凸不平的地面。它也能像真正的鹰爪一样，根据指令抓握、拿取物品。
Part.4
有了SNAG，我们能做什么？
和优秀的鸟爪一样，这种机械爪的主要任务就是停靠和抓取，而这两项功能都对无人机的实际作业有着非比寻常的意义。
首先，停靠是为无人机省电的重要举措。玩过无人机的小伙伴应该深有体会，续航能力是考验无人机性能的关键指标之一。但是在野生动物监控、情况勘测等任务中，需要无人机长时间悬停作业，以至于现有的电源无法支持任务完成。如果能够依靠SNAG停靠，耗电量将不到悬停的1/10，大大缓解了无人机续航能力不足的情况。
其次，抓取与运送物品的能力，对于无人机泛用度的意义更是不言而喻。在某些环境下，例如，复杂崎岖，人力难以触及或事故风险高的地带，如充斥有毒气体的矿洞，危险生物潜伏的沼泽等，无人机可以完成快速探测取样和短距离运输的任务。
动图：SNAG 能够平稳起飞和降落（图片来源：https：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562）
尽管SNAG目前仍然存在某些问题，比如抓取操作需要人为操控，无法实现自动探测适合的表面或树枝进行抓取，但它仍然给我们带来了广阔的想象空间。
未来，SNAG也许会成为某些复杂场景下无人机的标配，实现无人机的长时间运作和灵活样品采集，还可能在其他类型的机器人甚至火星探测器等应用场景中绽放光彩。
SNAG是人类模仿鸟类而取得的又一精妙成果，是仿生机器人的再一次进步。事实上，科学的本质就是在这样不断地探索、启发、创新中进步，从自然中学习、掌握规律，并化为人类自己进步的力量。留心观察身边，专注思考迁移，也许下一个上热门的发现，就藏在你家楼下的小树林里。
参考文献：
[1] Roderick， W。 R。 T。， et al。（2021）。 “Bird-inspired dynamic grasping and perching in arborealenvironments。” Science Robotics 6（61）： eabj7562。。
出品：科普中国
作者：之遥科普
监制：中国科学院计算机网络信息中心
来源：中国科普博览
