12 月 3 日報道，12 月 1 日，斯坦福大學的一項新成果登上國際學術頂刊《科學》的子刊《科學・機器人學》封面。研究人員受鳥類啟發，研發出一款名為 SNAG 的自動“機器腳爪”，可以使無人機能夠在複雜的表面起飛和降落，並捕捉空中的物體。

多年來，無人機已經可以在天空上自由飛行，卻並沒有掌握穩定的著陸能力，經常“栽跟頭”。鳥類幾乎可以用腳爪纏住任何東西，掠過海浪尖的鵜鶘可以突然降落在碼頭的樁上，貓頭鷹能以 64km/h 的速度俯衝下抓住一隻老鼠，這為斯坦福大學的研究人員帶來了啟迪。

他們以一種名為遊隼的猛禽為參照，採用 3D 列印的方式打造了這款名為 SNAG“機器腳爪”。它可以助一個無人機鎖定與它們接觸的任何東西，無論是可以棲息的樹枝，還是空中拋落的球體。未來有一天，它可能使無人機飛到任何地方，甚至成為能“捕獵”的無人機。

論文連結：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562

01.“帶爪”無人機飛入森林 能抓沙袋能接球

世界上沒有兩片相同的雪花，樹枝也是一樣，每根樹枝的大小、形狀和質地存在差異，比如有些可能是溼潤的，或長滿了苔蘚，或有分叉。不過，鳥類落在樹枝上時，不受這些樹枝情況的影響，哪裡都可以著陸。

斯坦福大學工程師馬克・卡特科斯基（Mark Cutkosky）和大衛・倫廷克（David Lentink）實驗室的研究人員對鳥類的著陸能力非常感興趣。倫廷克說：“對於我們來說，有個想法很鼓舞人心 —— 如果設計不同的起落架，機器人就可以在任何地方著陸。”

於是，兩個實驗室的研究人員共同為“空中機器人”開發了一種自動“機器腳爪”，名為 SNAG。像真實的鳥類一樣，SNAG 每次都以相同的方式靠近物體並著陸。

SNAG 能夠成功抓握住空中的豆袋和網球，並在觸發時以受控方式釋放它們。論文提到，其腳和物體之間的速度差約為 5 m/s，與大多數猛禽的動態捕捉行為相比，這是小到中等水平。要知道，豆袋和網球都具有與遊隼獵物相似的大小和重量。

最後，羅德里克帶著 SNAG 進入附近的森林，在現實世界中，進行一些試執行。團隊發現動態鳥類進近過程中儘管腳部誤差很大，但仍能實現穩健的近水平著陸。

總體而言，SNAG 表現非常好，對其的下一步開發可能會集中在著陸前的動作優化上，例如提高機器人的態勢感知和飛行控制能力。

該研究的第一作者羅德里克說：“令我們驚訝的是，無論鸚鵡落在什麼樣的表面上，它們都做了同樣的空中機動動作，用腳處理著陸材料表面紋理的可變性和複雜性。”SNAG 研發期間經過了 20 次的迭代完善，最終才實現較好效果。

02.比照真鳥 3D 列印，實現兩大機制

SNAG 的設計靈感來自鳥類後肢的功能解剖結構，包含一個受鳥類啟發的雙足足部和腿部系統，質量約為 250g。

在眾多鳥類中，遊隼的腿長和腿重在鳥類中具備普遍性，且可以每小時 200 英里的速度俯衝，並用爪子抓住其他鳥類。SNAG 的腿長尺寸、腳趾長度和爪子大小都是等比例參照兩隻 750g 的遊隼，經過 3D 列印而來。

為了讓更好地把握鳥類特徵，研究人員曾對世界第二小的鸚鵡物種進行研究，包括同時用 5 個高速攝像機記錄這些矮小鳥類在特殊棲木上來回飛行的動作，還使用感測器，捕獲鳥類著陸、棲息和起飛相關的物理力的資料。

鳥腿和腳趾的剛性結構由骨骼和軟骨組成，通過韌帶連線在一起，並通過肌腱連線由肌肉驅動。類似地，SNAG 機器爪的剛性結構由硬塑料製成，抓取動作由一種人造肌腱和串聯彈簧驅動，每條腿由一個電機驅動。

更進一步來看，SNAG 主要參考了真實遊隼的兩個關鍵運動機制，分別稱為數字屈肌機制（DFM）和肌腱鎖定機制（TLM）。

DFM 是一種類似鳥類降落站定時，降低衝擊力的機制。也就是鳥腿降落中通過摺疊的動作，衝擊力可以被轉化為更加強大的抓握力。SNAG 則通過肌腱彈簧拉伸，被動吸收衝擊力，轉而獲得比電機驅動的更大抓握力。

再看看 TLM，這在鳥類的運動中是在每個腳趾肌腱相互作用下鎖定住抓握狀態、防止回彈的機制。SNAG 將 TLM 模擬物與腳踝鎖定棘輪結合在一起，使 SNAG 能夠在腿部摺疊時保持來自 DFM 的額外抓地力的同時，防止回彈，從而讓動作更穩。

為了更加還原真實鳥類的抓握能力，SNAG 可以說在很多細節上都高度還原了鳥類結構。比如，與鳥類腳爪類似的是，SNAG 的腳設有趾墊產生的摩擦，並且被指爪半包裹著，使 SNAG 可靠地掌握複雜的表面並保持牢固。

03.可用於搜尋、救援 讓無人機更省電

實驗室團隊人員威廉・羅德里克（William Roderick）說：“模仿鳥類的飛行和休息方式並不容易。鳥類經歷了數百萬年進化，這使鳥類看上去很容易完成起飛和著陸，即使森林中的樹枝形態複雜、多變。”

如果技術落地，SNAG 將有無數種可能的應用，包括搜尋、救援和野火監測等等，它也可以新增到無人機以外的應用上。SNAG 還可以應用於環境研究，在進入森林的實驗中，研究人員在機器人上安裝了一個溫度和溼度感測器，羅德里克用他來記錄實驗地俄勒岡州的小氣候。

羅德里克說：“這項工作的部分潛在動機是創造我們可以用來研究自然界的工具，如果我們能擁有一個像鳥一樣行動的機器人，那將開啟環境研究的全新方式。”

SNAG 仍存在侷限性，那就是它不是自主的。為了進行這些實驗，飛行員必須遠端控制機器人。不過，倫廷克和他的同事們正在研究一種方法，讓機器人定位樹枝，計算如何接近它，並自行著陸。

SNAG 並不是第一款帶腿的飛行器，在 2019 年，加州理工學院的 LEg ON Aerial Robotic DrOne（又名 Leonardo）已首次亮相，它的四肢可以使它在地面上休息，旨在更好地探索火星。SNAG 和 Leonardo 都在追求同一件事：能源效率，因為將無人機懸停在適當位置以監視區域會迅速耗盡電池電量。

04.結語：仿生機器人發展迅速 仍面臨自動化難題

在鳥類的啟迪下，研究人員為無人機裝上了“腳爪”，實現在不平坦環境下的順利降落，甚至進化為“捕手”。背後，不僅是對鳥類腿和爪的結構的複製，更是對其中運動機制的借鑑，需要大量的資料收集和實地試驗。

近年來，仿生機器人成為越來越熱門的方向，無論是機器狗、機器魚還是現在模仿鳥類的機器爪，都在解決很多機器人運動的難題。但與此同時，這些仿生類機器裝置很多仍難實現自主化地運動，有目地自主執行任務，仍需要研究人員進一步探究。