如果你是一個喜歡逛公園的人，肯定見過鳥兒在樹枝上快樂蹦躂的場景。那你可曾注意到，似乎不論樹枝是粗是細，是光滑還是粗糙，哪怕是長滿苔蘚，鳥兒始終能夠一視同仁，紮根一般地抓在樹枝上，甚至蹲着打個盹也是小菜一碟。細心的科學家們很早就發現了這個現象，並向鳥兒們“拜師學習”，終於成功給科技領域中的“小鳥”——無人機，也裝了一雙爪子，並將這個機械爪命名為SNAG。
動圖：SNAG 能夠像鳥類一樣緊緊的抓住物體降落（圖片來源：https：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562）
兩位科學家，美國斯坦福大學的工程師MarkCutkosky 和荷蘭格羅寧根大學的 David Lentink，受到鳥類啟發，發明了搭載於無人機上的機械爪SNAG，登上了著名科學刊物Science Robotics的封面。
目前，這種機械爪已經成功搭載在了他們所製造的無人機上，並進行了多個維度的實驗與實際任務測試。
鳥兒為什麼能夠掌握這項本領？科學家又是怎樣從鳥兒這裡學到技巧，從而給無人機也加上這樣一雙靠譜的爪子呢？
Part.1
一雙結構神奇、骨骼精奇的爪子
鳥兒的種類繁多，抓住樹枝的能力也不太相同。諸如鴕鳥、火烈鳥，或是鴨子一類的鳥，本身不具備長距離飛行和棲息在樹上的能力，爪子的抓握能力自然相對較弱；而其它大多數鳥類，不用說穩穩站在樹枝上，就算是在上面睡覺也輕而易舉。
事實上，鳥類這項能力最大的功臣就是它特殊的爪子結構。從表皮到肌肉，到韌帶再到骨骼，千萬年的進化讓鳥兒爪子的每一個細節都為“抓握”這個小動作量身定製。
先從外皮說起。相信大家都吃過一道菜——“虎皮鳳爪”，我們仔細觀察就會發現，雞爪表面都是一塊塊的小疙瘩，而且與地面接觸的部分，疙瘩更加細密。而其他大部分鳥的趾爪也具有這種鱗片狀的角質硬皮結構，它能夠最大限度地增加鳥類爪子與地面的接觸面積和摩擦力，讓鳥兒即使在光滑的電線上也能抓得穩穩噹噹。
此外，這層外皮既堅硬又沒有痛覺神經，保證鳥兒看見樹枝或是粗糙的地面，能不假思索地落下去停穩，不用考慮被割傷划傷。
不僅是爪子的外皮有講究，鳥的肌肉、韌帶、骨骼更像是一座嚴絲合縫的精緻機器。大部分鳥的四個趾爪有三個在前，一個在後，這些趾爪又細又長，適合環繞貼緊不同粗細的樹枝。而當鳥爪抓住樹枝后，鳥兒會迅速蹲下後半身，彎曲腿，屈肌腱也隨之自動繃緊，帶動爪子扣緊樹枝。“坐下”這一微小的動作彷彿帶動了一系列機關，一氣呵成。此時，扣緊的爪子就如同“上了鎖”，即使打個盹也不會輕易鬆開。
Part.2
睡覺需要、捕食需要，這是一雙很忙的爪子
看到這兒，你是不是覺得鳥兒“上了鎖”的爪子必定是力量滿滿？讓人意想不到的是，與人類的手抓取物體時肌肉緊繃不同，鳥類爪子扣緊時肌肉是鬆弛的，也就是鳥類在下落起飛時才需要使力，停靠在樹枝上抓緊樹榦卻毫不費勁。
正因如此，鳥兒們才能輕鬆地站在樹枝上歇息打盹。再加上鳥類的睡眠程度通常較淺，它們甚至可以做到一半大腦正在睡眠，另一半大腦保持清醒，因此在樹上打盹的時候，鳥兒依舊可以調節身體各個部分，保持平衡。
這樣精巧靈活而又健壯有力的爪子，同樣是許多鳥類捕獵的利器。肉食性鳥類主要的武器便是嘴和爪子，而鷹是將這兩樣武器是用到極致的佼佼者。鷹爪握力超越人的十倍，可以輕易刺穿大型動物的頭骨，是實打實的利器。正因鳥爪如此精密而實用，所以科學家們在創造發明時，從中獲得了許多靈感。
Part.3
機械爪SNAG：人類向鳥兒拜師的又一成果
較早時期，人類學習鳥類飛行的原理，改善併發明應用了飛機。之後螺旋翼的直升機和小型無人機儘管與鳥的結構不再類似，可人們仍能從鳥類身上獲得很多的靈感，然後加裝到無人機上。而今天的機械爪SNAG，正是人類向鳥兒拜師的又一成果。
SNAG採用3D打印技術製作，材料輕便，堅固耐用。整體結構均仿照鷹爪，包括趾爪表皮、骨骼以及關鍵的聯動肌腱。
SNAG表面具有增大摩擦力的趾墊和爪尖，保證其與接觸表面充足的摩擦力。用齒輪和連接桿組成的、類似鷹爪骨骼肌腱的傳動結構，保證了抓握的牢固性和低能耗。與鳥類肌肉特點相似，在保持靜態抓握時，SNAG也是處於自然的低能耗狀態。
這項仿照鷹爪的設計大獲成功，SNAG能夠長時間抓握在不同物體表面，包括足夠承載無人機重量的樹枝和凹凸不平的地面。它也能像真正的鷹爪一樣，根據指令抓握、拿取物品。
Part.4
有了SNAG，我們能做什麼？
和優秀的鳥爪一樣，這種機械爪的主要任務就是停靠和抓取，而這兩項功能都對無人機的實際作業有着非比尋常的意義。
首先，停靠是為無人機省電的重要舉措。玩過無人機的小夥伴應該深有體會，續航能力是考驗無人機性能的關鍵指標之一。但是在野生動物監控、情況勘測等任務中，需要無人機長時間懸停作業，以至於現有的電源無法支持任務完成。如果能夠依靠SNAG停靠，耗電量將不到懸停的1/10，大大緩解了無人機續航能力不足的情況。
其次，抓取與運送物品的能力，對於無人機泛用度的意義更是不言而喻。在某些環境下，例如，複雜崎嶇，人力難以觸及或事故風險高的地帶，如充斥有毒氣體的礦洞，危險生物潛伏的沼澤等，無人機可以完成快速探測取樣和短距離運輸的任務。
動圖：SNAG 能夠平穩起飛和降落（圖片來源：https：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562）
儘管SNAG目前仍然存在某些問題，比如抓取操作需要人為操控，無法實現自動探測適合的表面或樹枝進行抓取，但它仍然給我們帶來了廣闊的想象空間。
未來，SNAG也許會成為某些複雜場景下無人機的標配，實現無人機的長時間運作和靈活樣品採集，還可能在其他類型的機器人甚至火星探測器等應用場景中綻放光彩。
SNAG是人類模仿鳥類而取得的又一精妙成果，是仿生機器人的再一次進步。事實上，科學的本質就是在這樣不斷地探索、啟發、創新中進步，從自然中學習、掌握規律，並化為人類自己進步的力量。留心觀察身邊，專註思考遷移，也許下一個上熱門的發現，就藏在你家樓下的小樹林里。
參考文獻：
[1] Roderick， W。 R。 T。， et al。（2021）。 “Bird-inspired dynamic grasping and perching in arborealenvironments。” Science Robotics 6（61）： eabj7562。。
出品：科普中國
作者：之遙科普
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
來源：中國科普博覽