Luftgreifer sind cool? Vogel: Es waren meine Krallen, die dich inspiriert haben

Wenn Sie gerne Parks besuchen, haben Sie sicher schon einmal Vögel gesehen, die fröhlich auf Ästen herumspringen. Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass die Vögel die Äste immer gleich behandeln, egal wie dick oder dünn, glatt oder rau sie sind, selbst wenn sie mit Moos bedeckt sind. Sie klammern sich an die Äste wie an Wurzeln und es ist ein Kinderspiel, sich darauf hinzuhocken und ein Nickerchen zu machen.

Vögel, die fest auf den Ästen stehen (Fotoquelle: Sina Weibo https://weibo.com/1867169435/FAMXKznUl)

Aufmerksame Wissenschaftler haben dieses Phänomen schon vor langer Zeit entdeckt und von Vögeln gelernt. Schließlich gelang es ihnen, den „kleinen Vogel“ im Bereich Wissenschaft und Technologie – die Drohne – mit einem Paar Klauen auszustatten und diese mechanische Klaue SNAG zu nennen.

GIF: SNAG kann sich an Objekten festhalten und wie ein Vogel landen (Bildquelle: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

Zwei Wissenschaftler, Mark Cutkosky, ein Ingenieur an der Stanford University in den USA, und David Lentink von der Universität Groningen in den Niederlanden, ließen sich von Vögeln inspirieren und erfanden die Roboterkralle SNAG, die auf einer Drohne montiert werden kann und auf dem Cover der berühmten wissenschaftlichen Zeitschrift Science Robotics erschien.

Derzeit wurde diese mechanische Klaue erfolgreich an der von ihnen hergestellten Drohne montiert und Experimenten und tatsächlichen Missionstests in mehreren Dimensionen unterzogen.

Warum beherrschen Vögel diese Fähigkeit? Wie haben Wissenschaftler Tricks von Vögeln gelernt, um Drohnen ein so zuverlässiges Paar Krallen geben zu können?

Teil 1

Ein Paar Krallen mit erstaunlicher Struktur und exquisiten Knochen

Es gibt viele verschiedene Vogelarten und ihre Fähigkeit, sich an Ästen festzuhalten, ist unterschiedlich. Vögel wie Strauße, Flamingos oder Enten können weder weite Strecken fliegen noch auf Bäumen sitzen, daher ist die Greiffähigkeit ihrer Krallen von Natur aus relativ schwach. während die meisten anderen Vögel problemlos auf Ästen schlafen können, geschweige denn fest darauf stehen.

Tatsächlich ist die besondere Struktur der Krallen der Hauptgrund für diese Fähigkeit der Vögel. Von der Epidermis über die Muskeln und Bänder bis hin zu den Knochen haben Millionen Jahre der Evolution jedes Detail der Vogelkrallen auf die kleine Aktion des „Greifens“ zugeschnitten.

Die starken und kräftigen Krallen des Falken (Foto: Veer Gallery)

Beginnen wir mit der Außenhaut. Ich glaube, jeder hat schon einmal ein Gericht gegessen: „Hähnchenkrallen mit Tigerhaut“. Bei genauerem Hinsehen werden wir feststellen, dass die Oberfläche der Hühnerfüße mit kleinen Beulen bedeckt ist und dass die Beulen an der Stelle, die den Boden berührt, noch dichter sind. Auch die Krallen der meisten anderen Vögel weisen diese schuppige, keratinartige Struktur auf, die die Kontaktfläche und Reibung zwischen den Krallen des Vogels und dem Boden maximieren kann, sodass der Vogel auch auf glatten Drähten festen Halt hat.

Darüber hinaus ist diese Hautschicht hart und weist keine Schmerznerven auf. Dadurch kann der Vogel, wenn er einen Ast oder unebenen Boden sieht, gedankenlos landen und stehen bleiben, ohne Angst haben zu müssen, Schnitte oder Kratzer zu erleiden.

Die Epidermis von Vogelkrallen hat eine schuppige, keratinhaltige, harte Hautstruktur (Bildquelle: Veer Gallery)

Nicht nur die Haut der Krallen ist exquisit verarbeitet; Die Muskeln, Bänder und Knochen des Vogels ähneln eher einer empfindlichen Maschine, die perfekt zusammenpasst. Die meisten Vögel haben vier Krallen, drei vorne und eine hinten. Diese Krallen sind dünn und lang und eignen sich zum Umwickeln und Festhalten von Ästen unterschiedlicher Dicke. Wenn die Krallen des Vogels den Ast greifen, hockt er sich schnell hin und beugt die Beine. Die Beugesehnen spannen sich automatisch an und zwingen die Krallen, den Ast festzuklemmen. Die winzige Aktion des „Hinsetzens“ schien eine Reihe von Mechanismen auszulösen, die auf einmal abgeschlossen wurden. An diesem Punkt sind die umklammerten Krallen wie „verriegelt“ und lassen sich auch bei einem Nickerchen nicht so leicht lösen.

Teil 2

Es muss schlafen und jagen, das ist ein Paar sehr beschäftigter Pfoten

Glauben Sie angesichts dessen, dass die „verriegelten“ Krallen des Vogels voller Kraft sein müssen? Überraschend ist, dass die Muskeln von Vögeln beim Zusammenballen der Krallen entspannt sind, im Gegensatz zu den Muskeln menschlicher Hände, deren Muskeln beim Greifen von Gegenständen angespannt sind. Das heißt, Vögel müssen nur beim Fallen und Abheben Kraft aufwenden, haben aber keine Schwierigkeiten, sich auf Ästen auszuruhen und sich an Baumstämmen festzuhalten.

Deshalb können sich Vögel problemlos auf die Äste setzen, um auszuruhen und ein Nickerchen zu machen. Darüber hinaus schlafen Vögel normalerweise bei geringer Helligkeit und es kann sogar vorkommen, dass die eine Hälfte ihres Gehirns schläft, während die andere Hälfte wach bleibt. Daher können Vögel beim Nickerchen in einem Baum immer noch verschiedene Teile ihres Körpers anpassen und das Gleichgewicht halten.

Solche zarten, flexiblen, starken und kräftigen Krallen sind auch die Jagdwaffen vieler Vögel. Die Hauptwaffen fleischfressender Vögel sind ihre Schnäbel und Krallen, und Adler sind die Besten, die diese beiden Waffen bis zum Äußersten einsetzen können. Die Greifkraft einer Adlerklaue ist zehnmal so groß wie die eines Menschen und kann problemlos den Schädel eines großen Tieres durchbohren. Es ist eine echte Waffe. Da Vogelkrallen so präzise und praktisch sind, haben sie Wissenschaftler bei der Entwicklung von Erfindungen stark inspiriert.

Teil 3

SNAG: Ein weiteres Beispiel dafür, wie Menschen von Vögeln lernen

In der Frühzeit lernten die Menschen die Prinzipien des Vogelflugs kennen, verbesserten sie und erfanden und verwendeten Flugzeuge. Obwohl die Struktur von Rotorflügelhubschraubern und kleinen Drohnen nicht mehr der von Vögeln ähnelt, kann man sich immer noch viel von Vögeln inspirieren lassen und diese dann in Drohnen integrieren. Die heutige Roboterkralle SNAG ist ein weiteres Ergebnis des menschlichen Lernens von Vögeln.

Eine mit SNAG ausgestattete Drohne ist fest an einem Baum befestigt (Bildquelle: Referenz [1])

SNAG wird mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt und das Material ist leicht, stark und langlebig. Die Gesamtstruktur ist einer Adlerklaue nachempfunden, einschließlich der Epidermis, der Knochen und der wichtigsten Verbindungssehnen der Klaue.

Die SNAG-Oberfläche verfügt über ein Zehenpolster und eine Krallenspitze, die die Reibung erhöhen und so für ausreichend Reibung mit der Kontaktfläche sorgen. Die aus Zahnrädern und Pleuelstangen bestehende Übertragungsstruktur, die den Skelettsehnen von Adlerkrallen ähnelt, sorgt für festen Halt und geringen Energieverbrauch. Ähnlich den Eigenschaften der Vogelmuskulatur befindet sich der SNAG bei der Aufrechterhaltung eines statischen Griffs in einem natürlichen Niedrigenergiezustand.

Dieses Design, das die Klaue eines Adlers imitiert, war ein großer Erfolg. SNAG konnte die Oberflächen verschiedener Objekte über einen längeren Zeitraum greifen, darunter Äste, die groß genug waren, um das Gewicht der Drohne zu tragen, und unebene Böden. Außerdem kann er, genau wie eine echte Adlerklaue, nach Anweisung Gegenstände greifen und aufheben.

Teil 4

Was können wir mit SNAG machen?

Wie bei einer hervorragenden Vogelkralle bestehen die Hauptaufgaben dieser mechanischen Kralle im Andocken und Greifen, und diese beiden Funktionen sind für den eigentlichen Betrieb der Drohne von außerordentlicher Bedeutung.

Zunächst einmal ist das Andocken eine wichtige Maßnahme zum Energiesparen bei Drohnen. Freunde, die schon einmal mit Drohnen gespielt haben, sollten wissen, dass die Akkulaufzeit einer der wichtigsten Indikatoren zum Testen der Leistung von Drohnen ist. Bei Aufgaben wie der Wildtierüberwachung und Lageerfassung müssen Drohnen jedoch über längere Zeiträume schweben, sodass die vorhandene Stromversorgung die Durchführung der Aufgabe nicht unterstützt. Wenn die Drohne mit Hilfe von SNAG angedockt werden kann, beträgt der Stromverbrauch weniger als 1/10 des Schwebeverbrauchs, was das Problem der unzureichenden Ausdauer der Drohne erheblich lindert.

Zweitens ist die Fähigkeit, Objekte zu greifen und zu transportieren, von offensichtlicher Bedeutung für die Vielseitigkeit von Drohnen. In bestimmten Umgebungen, beispielsweise in komplexen und zerklüfteten Gebieten, die für Menschen schwer erreichbar sind, oder in Gebieten mit hohem Unfallrisiko, wie etwa mit giftigen Gasen gefüllten Minen und Sümpfen, in denen gefährliche Kreaturen lauern, können Drohnen die Aufgaben der schnellen Erkennung, Probenahme und des Kurzstreckentransports übernehmen.

GIF: SNAG kann sanft starten und landen (Bildquelle: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

Obwohl SNAG noch einige Probleme aufweist, beispielsweise dass der Greifvorgang menschliche Kontrolle erfordert und geeignete Oberflächen oder Äste zum Greifen nicht automatisch erkannt werden können, lässt es uns dennoch viel Raum für Fantasie.

In Zukunft könnte SNAG in bestimmten komplexen Szenarien zu einer Standardfunktion von Drohnen werden und einen langfristigen Betrieb und eine flexible Probenentnahme von Drohnen ermöglichen. Auch in Anwendungsszenarien wie anderen Robotertypen und sogar Marsrovern könnte es glänzen.

SNAG ist eine weitere geniale Errungenschaft des Menschen bei der Nachahmung von Vögeln und ein weiterer Fortschritt bei bionischen Robotern. Tatsächlich besteht das Wesen der Wissenschaft darin, durch kontinuierliche Erforschung, Inspiration und Innovation Fortschritte zu erzielen, die Naturgesetze zu erlernen und zu beherrschen und sie in die Kraft des menschlichen Fortschritts umzuwandeln. Achten Sie auf Ihre Umgebung und denken Sie konzentriert über Migration nach. Vielleicht ist die nächste beliebte Entdeckung im Wald unter Ihrem Haus versteckt.

Quellen:

[1] Roderick, WRT, et al. (2021). „Von Vögeln inspiriertes dynamisches Greifen und Sitzen in Baumumgebungen.“ Wissenschaftliche Robotik 6(61): eabj7562..

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhiyao Science Popularization

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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