Sotto gli occhi attenti di cinque telecamere ad alta velocità, un piccolo, uccello azzurro di nome Gary aspetta il segnale per volare. Diana Mento, uno studente laureato alla Stanford University e allenatore di Gary, punta il dito verso un trespolo a circa 20 pollici di distanza. Il problema è che il pesce persico è ricoperto di teflon, rendendolo apparentemente impossibile da afferrare stabilmente.

Il successo dell'atterraggio di Gary sul Teflon, e su altri trespoli di materiali diversi, sta insegnando ai ricercatori come creare macchine che atterrano come un uccello.

"I moderni robot aerei di solito hanno bisogno di una pista o di una superficie piana per un facile decollo e atterraggio. Per un uccello, quasi ovunque è un potenziale punto di atterraggio, anche nelle città, " disse Mento, che fa parte del laboratorio di David Lentink, professore assistente di ingegneria meccanica. "Volevamo davvero capire come riescono a farlo e le dinamiche e le forze che sono coinvolte".

Anche i robot più avanzati non si avvicinano affatto alla capacità di presa degli animali quando si tratta di oggetti di varie forme, dimensioni e trame. Così, i ricercatori hanno raccolto dati su come Gary e altri due uccelli atterrano su diversi tipi di superfici, tra cui una varietà di posatoi naturali e artificiali ricoperti di schiuma, carta vetrata e teflon.

"Questo non è diverso dal chiedere a una ginnasta olimpica di atterrare su barre alte ricoperte di teflon senza segnarsi le mani, " disse Lentink, chi è l'autore senior del documento. Ancora, i pappagalli hanno reso ciò che sembra quasi impossibile per un aspetto umano senza sforzo.

La ricerca del gruppo, pubblicato il 6 agosto in eLife , comprendeva anche studi dettagliati sull'attrito prodotto dagli artigli e dalle zampe degli uccelli. Da questo lavoro, i ricercatori hanno scoperto che il segreto della versatilità del posatoio del pappagallo è nella presa.

"Quando guardiamo una persona che corre, uno scoiattolo che salta o un uccello che vola, è chiaro che abbiamo molta strada da fare prima che la nostra tecnologia possa raggiungere il complesso potenziale di questi animali, sia in termini di efficienza che atleticità controllata, " ha detto William Roderick, uno studente laureato in ingegneria meccanica nel laboratorio Lentink e nel laboratorio di Mark Cutkosky, la cattedra Fletcher Jones presso la School of Engineering. "Attraverso lo studio dei sistemi naturali che si sono evoluti nel corso di milioni di anni, possiamo fare enormi passi avanti verso la costruzione di sistemi con capacità senza precedenti".

(Non) attaccare l'atterraggio

I trespoli in questa ricerca non erano il tuo stock medio di negozi di animali. I ricercatori li hanno divisi in due, longitudinalmente, nel punto che approssimativamente è allineato con il centro del piede di un pappagallo. Per quanto riguardava l'uccello, i trespoli sembravano un unico ramo, ma ciascuna metà si trovava in cima al proprio sensore di forza/coppia a 6 assi. Ciò significava che i ricercatori potevano catturare le forze totali che l'uccello metteva sul trespolo in molte direzioni e come queste forze differivano tra le metà, il che indicava quanto forte gli uccelli stessero spremendo.

Dopo che gli uccelli svolazzarono su tutti e nove i trespoli sensibili alla forza di dimensioni assortite, morbidezza e scivolosità, il gruppo ha iniziato ad analizzare le prime fasi dell'atterraggio. Confrontando diverse superfici di posatoi, si aspettavano di vedere differenze nel modo in cui gli uccelli si avvicinavano al posatoio e nella forza con cui atterravano, ma non è quello che hanno trovato.

"Quando abbiamo elaborato per la prima volta tutti i nostri dati sulla velocità di avvicinamento e le forze quando l'uccello stava atterrando, non abbiamo visto differenze evidenti, " Chin ha ricordato. "Ma poi abbiamo iniziato a esaminare la cinematica dei piedi e degli artigli - i dettagli di come li muovevano - e abbiamo scoperto che li adattavano per atterrare".

La misura in cui gli uccelli avvolgevano le dita dei piedi e arricciavano gli artigli variava a seconda di ciò che incontravano al momento dell'atterraggio. Su superfici ruvide o morbide, come la schiuma di medie dimensioni, carta vetrata e posatoi di legno grezzo:i loro piedi potrebbero generare elevate forze di compressione con poco aiuto dai loro artigli. Sui trespoli che erano più difficili da afferrare, il legno di seta e filo interdentale, Teflon e grande betulla:gli uccelli arricciavano di più gli artigli, trascinandoli lungo la superficie del posatoio finché non ebbero un appoggio sicuro.

Questa presa variabile suggerisce che, quando si costruiscono robot per atterrare su una varietà di superfici, i ricercatori potrebbero separare il controllo dell'atterraggio in avvicinamento dalle azioni necessarie per un atterraggio di successo.

Le loro misurazioni hanno anche mostrato che gli uccelli sono in grado di riposizionare i loro artigli da una protuberanza o fossa afferrabile a un'altra in appena 1 o 2 millisecondi. (Per confronto, un essere umano impiega dai 100 ai 400 millisecondi per lampeggiare.)

Uccelli e bot

I laboratori Cutkosky e Lentink hanno già iniziato a caratterizzare come i pappagalli decollano dalle diverse superfici. In combinazione con il loro lavoro precedente esplorando come i pappagalli navigano nel loro ambiente, il gruppo spera che i risultati possano portare a robot volanti più agili.

"Se possiamo applicare tutto ciò che impariamo, possiamo sviluppare robot bimodali in grado di passare da e verso l'aria in una vasta gamma di ambienti diversi e aumentare la versatilità dei robot aerei che abbiamo oggi, " disse Mento.

Verso quel fine, Roderick sta lavorando alla progettazione dei meccanismi che imiterebbero la forma e la fisica di presa degli uccelli.

"Un'applicazione di questo lavoro che mi interessa è avere robot appollaiati che possono agire come una squadra di piccoli scienziati che effettuano registrazioni, autonomamente, per la ricerca sul campo nelle foreste o nelle giungle, " Ha detto Roderick. "Mi piace molto attingere ai fondamenti dell'ingegneria e applicarli a nuovi campi per spingere i limiti di ciò che è stato precedentemente raggiunto e di ciò che è noto".