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如果你是一個(gè)喜歡逛公園的人，肯定見過鳥兒在樹枝上快樂蹦跶的場(chǎng)景。那你可曾注意到，似乎不論樹枝是粗是細(xì)，是光滑還是粗糙，哪怕是長滿苔蘚，鳥兒始終能夠一視同仁，扎根一般地抓在樹枝上，甚至蹲著打個(gè)盹也是小菜一碟。

在樹枝上站得穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)镍B兒們（圖片來源：新浪微博https://weibo.com/1867169435/FAMXKznUl）

細(xì)心的科學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，并向鳥兒們“拜師學(xué)習(xí)”，終于成功給科技領(lǐng)域中的“小鳥”——無人機(jī)，也裝了一雙爪子，并將這個(gè)機(jī)械爪命名為SNAG。

動(dòng)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(xué)家，美國斯坦福大學(xué)的工程師MarkCutkosky 和荷蘭格羅寧根大學(xué)的 David Lentink，受到鳥類啟發(fā)，發(fā)明了搭載于無人機(jī)上的機(jī)械爪SNAG，登上了著名科學(xué)刊物Science Robotics的封面。

目前，這種機(jī)械爪已經(jīng)成功搭載在了他們所制造的無人機(jī)上，并進(jìn)行了多個(gè)維度的實(shí)驗(yàn)與實(shí)際任務(wù)測(cè)試。

鳥兒為什么能夠掌握這項(xiàng)本領(lǐng)？科學(xué)家又是怎樣從鳥兒這里學(xué)到技巧，從而給無人機(jī)也加上這樣一雙靠譜的爪子呢？

Part.1

一雙結(jié)構(gòu)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(duì)較弱；而其它大多數(shù)鳥類，不用說穩(wěn)穩(wěn)站在樹枝上，就算是在上面睡覺也輕而易舉。

事實(shí)上，鳥類這項(xiàng)能力最大的功臣就是它特殊的爪子結(jié)構(gòu)。從表皮到肌肉，到韌帶再到骨骼，千萬年的進(jìn)化讓鳥兒爪子的每一個(gè)細(xì)節(jié)都為“抓握”這個(gè)小動(dòng)作量身定制。

鷹隼健壯有力的爪子（圖片來源：Veer圖庫）

先從外皮說起。相信大家都吃過一道菜——“虎皮鳳爪”，我們仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(xì)密。而其他大部分鳥的趾爪也具有這種鱗片狀的角質(zhì)硬皮結(jié)構(gòu)，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(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)。

此外，這層外皮既堅(jiān)硬又沒有痛覺神經(jīng)，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(wěn)，不用考慮被割傷劃傷。

鳥類爪子的表皮有鱗片狀角質(zhì)硬皮結(jié)構(gòu)（圖片來源：Veer圖庫）

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(yán)絲合縫的精致機(jī)器。大部分鳥的四個(gè)趾爪有三個(gè)在前，一個(gè)在后，這些趾爪又細(xì)又長，適合環(huán)繞貼緊不同粗細(xì)的樹枝。而當(dāng)鳥爪抓住樹枝后，鳥兒會(huì)迅速蹲下后半身，彎曲腿，屈肌腱也隨之自動(dòng)繃緊，帶動(dòng)爪子扣緊樹枝?！白隆边@一微小的動(dòng)作仿佛帶動(dòng)了一系列機(jī)關(guān)，一氣呵成。此時(shí)，扣緊的爪子就如同“上了鎖”，即使打個(gè)盹也不會(huì)輕易松開。

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(shí)肌肉緊繃不同，鳥類爪子扣緊時(shí)肌肉是松弛的，也就是鳥類在下落起飛時(shí)才需要使力，停靠在樹枝上抓緊樹干卻毫不費(fèi)勁。

正因如此，鳥兒們才能輕松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(shí)候，鳥兒依舊可以調(diào)節(jié)身體各個(gè)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(dòng)物的頭骨，是實(shí)打?qū)嵉睦?。正因鳥爪如此精密而實(shí)用，所以科學(xué)家們?cè)趧?chuàng)造發(fā)明時(shí)，從中獲得了許多靈感。

Part.3

機(jī)械爪SNAG：人類向鳥兒拜師的又一成果

較早時(shí)期，人類學(xué)習(xí)鳥類飛行的原理，改善并發(fā)明應(yīng)用了飛機(jī)。之后螺旋翼的直升機(jī)和小型無人機(jī)盡管與鳥的結(jié)構(gòu)不再類似，可人們?nèi)阅軓镍B類身上獲得很多的靈感，然后加裝到無人機(jī)上。而今天的機(jī)械爪SNAG,正是人類向鳥兒拜師的又一成果。

搭載SNAG的無人機(jī)穩(wěn)穩(wěn)抓在樹上（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

SNAG采用3D打印技術(shù)制作，材料輕便，堅(jiān)固耐用。整體結(jié)構(gòu)均仿照鷹爪，包括趾爪表皮、骨骼以及關(guān)鍵的聯(lián)動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)，保證了抓握的牢固性和低能耗。與鳥類肌肉特點(diǎn)相似，在保持靜態(tài)抓握時(shí)，SNAG也是處于自然的低能耗狀態(tài)。

這項(xiàng)仿照鷹爪的設(shè)計(jì)大獲成功，SNAG能夠長時(shí)間抓握在不同物體表面，包括足夠承載無人機(jī)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(jù)指令抓握、拿取物品。

Part.4

有了SNAG，我們能做什么？

和優(yōu)秀的鳥爪一樣，這種機(jī)械爪的主要任務(wù)就是?？亢妥ト?，而這兩項(xiàng)功能都對(duì)無人機(jī)的實(shí)際作業(yè)有著非比尋常的意義。

首先，?？渴菫闊o人機(jī)省電的重要舉措。玩過無人機(jī)的小伙伴應(yīng)該深有體會(huì)，續(xù)航能力是考驗(yàn)無人機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。但是在野生動(dòng)物監(jiān)控、情況勘測(cè)等任務(wù)中，需要無人機(jī)長時(shí)間懸停作業(yè)，以至于現(xiàn)有的電源無法支持任務(wù)完成。如果能夠依靠SNAG?？浚碾娏繉⒉坏綉彝５?/10，大大緩解了無人機(jī)續(xù)航能力不足的情況。

其次，抓取與運(yùn)送物品的能力，對(duì)于無人機(jī)泛用度的意義更是不言而喻。在某些環(huán)境下，例如，復(fù)雜崎嶇，人力難以觸及或事故風(fēng)險(xiǎn)高的地帶，如充斥有毒氣體的礦洞，危險(xiǎn)生物潛伏的沼澤等，無人機(jī)可以完成快速探測(cè)取樣和短距離運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。

動(dòng)圖：SNAG 能夠平穩(wěn)起飛和降落（圖片來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562）

盡管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(shí)現(xiàn)自動(dòng)探測(cè)適合的表面或樹枝進(jìn)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(huì)成為某些復(fù)雜場(chǎng)景下無人機(jī)的標(biāo)配，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的長時(shí)間運(yùn)作和靈活樣品采集，還可能在其他類型的機(jī)器人甚至火星探測(cè)器等應(yīng)用場(chǎng)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(jī)器人的再一次進(jìn)步。事實(shí)上，科學(xué)的本質(zhì)就是在這樣不斷地探索、啟發(fā)、創(chuàng)新中進(jìn)步，從自然中學(xué)習(xí)、掌握規(guī)律，并化為人類自己進(jìn)步的力量。留心觀察身邊，專注思考遷移，也許下一個(gè)上熱門的發(fā)現(xiàn)，就藏在你家樓下的小樹林里。

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