Under vaksamma ögon av fem höghastighetskameror, en liten, Den ljusblå fågeln som heter Gary väntar på att signalen ska flyga. Diana Chin, en doktorand vid Stanford University och Garys tränare, pekar med fingret mot en sittpinne cirka 20 tum bort. Fångsten här är att abborren är täckt av teflon, vilket gör det till synes omöjligt att stabilt förstå.

Garys framgångsrika touchdown på teflon - och på andra sittpinnar av varierande material - lär forskare hur de kan skapa maskiner som landar som en fågel.

"Moderna flygrobotar behöver vanligtvis antingen en bana eller en plan yta för enkel start och landning. För en fågel, nästan överallt finns en potentiell landningsplats, även i städer, sa Chin, som är en del av David Lentinks labb, biträdande professor i maskinteknik. "Vi ville verkligen förstå hur de åstadkommer det och dynamiken och krafterna som är inblandade."

Även de mest avancerade robotarna kommer inte i närheten av djurens greppförmåga när de hanterar föremål av olika former, storlekar och texturer. Så, forskarna samlade in data om hur Gary och två andra fåglar landar på olika typer av ytor, inklusive en mängd naturliga abborre och konstgjorda abborre täckta av skum, sandpapper och teflon.

"Detta är inte olikt att be en olympisk gymnast att landa på Teflon-klädda höga bommar utan att krita händerna, sa Lentink, som är seniorförfattare till tidningen. Än, papegojorna fick det som verkar nästan omöjligt för en människa att se lätt ut.

Gruppens forskning, publicerad 6 augusti in eLife , inkluderade också detaljerade studier av friktionen som produceras av fåglarnas klor och fötter. Från detta arbete, forskarna fann att hemligheten bakom papegojans mångsidighet ligger i greppet.

"När vi tittar på en person som springer, en ekorre som hoppar eller en fågel som flyger, det är uppenbart att vi har en lång väg kvar innan vår teknik kan nå den komplexa potentialen hos dessa djur, både vad gäller effektivitet och kontrollerad atleticism, sade William Roderick, en doktorand i maskinteknik i Lentink-labbet och labbet av Mark Cutkosky, Fletcher Jones ordförande vid School of Engineering. "Genom att studera naturliga system som har utvecklats under miljontals år, vi kan göra enorma framsteg mot att konstruera system med oöverträffad kapacitet."

(Icke)stickning av landningen

Abborrarna i den här forskningen var inte din genomsnittliga djuraffär. Forskarna delade dem i två, på längden, vid den punkt som ungefär ligger i linje med mitten av en papegojfots fot. När det gäller fågeln, abborren kändes som en enda gren men varje halva satt ovanpå sin egen 6-axliga kraft/vridmomentssensor. Detta innebar att forskarna kunde fånga de totala krafter som fågeln utövade på abborren i många riktningar och hur dessa krafter skiljde sig mellan halvorna - vilket indikerade hur hårt fåglarna klämde.

Efter att fåglarna flaxade till alla nio kraftavkännande sittpinnar av olika storlekar, mjukhet och hala, gruppen började analysera de första etapperna av landning. Jämföra olika abborrytor, de förväntade sig att se skillnader i hur fåglarna närmade sig abborrarna och kraften som de landade med, men det var inte vad de hittade.

"När vi först behandlade alla våra uppgifter om inflygningshastighet och krafterna när fågeln landade, vi såg inga uppenbara skillnader, " Minns Chin. "Men sedan började vi titta på kinematik för fötterna och klorna - detaljerna om hur de flyttade dem - och upptäckte att de anpassade dem för att hålla fast vid landningen."

I vilken utsträckning fåglarna lindade tårna och lockade sina klor varierade beroende på vad de stötte på vid landning. På grova eller squishy ytor – som det medelstora skummet, sandpapper och grova träpinnar – deras fötter kunde generera höga klämkrafter med lite hjälp från klorna. På sittpinnar som var svårast att greppa - träet av tandtråd, Teflon och stor björk - fåglarna lockade sina klor mer, släpade dem längs abborrytan tills de fick ett säkert fotfäste.

Detta variabla grepp antyder att, när man bygger robotar för att landa på en mängd olika ytor, forskare kunde skilja kontrollen över närmande landning från de åtgärder som krävs för en framgångsrik landning.

Deras mätningar visade också att fåglarna är kapabla att flytta sina klor från en gripbar bula eller grop till en annan på bara 1 till 2 millisekunder. (För jämförelse, det tar en människa cirka 100 till 400 millisekunder att blinka.)

Fåglar och bots

Cutkosky- och Lentink-labbet har redan börjat karakterisera hur papegojor lyfter från de olika ytorna. I kombination med deras tidigare arbete med att utforska hur papegojor navigerar i sin miljö, gruppen hoppas att fynden kan leda till smidigare flygande robotar.

"Om vi ​​kan tillämpa allt vi lär oss, vi kan utveckla bimodala robotar som kan övergå till och från luften i en mängd olika miljöer och öka mångsidigheten hos flygrobotar som vi har idag, " sa Chin.

Mot det målet, Roderick arbetar med att designa mekanismerna som skulle efterlikna fåglarnas gripande form och fysik.

"En tillämpning av detta arbete som jag är intresserad av är att ha sittande robotar som kan fungera som ett team av små små forskare som gör inspelningar, självständigt, för fältforskning i skogar eller djungler, " Sa Roderick. "Jag tycker verkligen om att dra från grunderna inom teknik och tillämpa dem på nya områden för att tänja på gränserna för vad som tidigare uppnåtts och vad som är känt."