Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs

要約

ほとんどの鳥類は、空中と地上の環境をシームレスに行き来することができる。前肢が主に飛行のために翼に進化したのに対し、後肢は歩行、ホッピング、跳躍、飛行に移行するためのジャンプ離陸など多様な機能を果たす。このような機能から、技術者たちは空中ロボットでも同様のマルチモーダリティを目指すようになり、多様な環境での応用範囲が広がった。しかし、飛行のための軽量化を維持しながら、歩行やジャンプのような運動特性や推進特性が異なる歩容にまたがって、マルチモーダルなロコモーションを再現することには課題が残っている。このような機械的な複雑さと汎用性のトレードオフにより、既存のほとんどの空中ロボットは、さらに1つの運動モードに限定されている。RAVENは、鳥にヒントを得た多機能脚を持ち、鳥のマルチモーダルなロコモーションと同様に、素早くジャンプして飛行したり、地上を歩いたり、障害物や隙間を飛び越えたりすることができる。我々は、離陸のためのジャンプが最初の飛行離陸速度に大きく寄与すること、そして驚くべきことに、プロペラのみによる離陸よりもエネルギー効率が高いことを示す。我々の解析は、異なる運動戦略に適応した鳥類間において、脚と胴体の間の質量配分における重要なトレードオフを示唆している。多機能ロボット脚は、自律離陸とマルチモーダルな歩行により、複雑な地形で従来の固定翼機を展開する機会を拡大する。

要約(オリジナル)

Most birds can navigate seamlessly between aerial and terrestrial environments. Whereas the forelimbs evolved into wings primarily for flight, the hindlimbs serve diverse functions such as walking, hopping, and leaping, and jumping take-off for transitions into flight. These capabilities have inspired engineers to aim for similar multi-modality in aerial robots, expanding their range of applications across diverse environments. However, challenges remain in reproducing multi-modal locomotion, across gaits with distinct kinematics and propulsive characteristics, such as walking and jumping, while preserving lightweight mass for flight. This tradeoff between mechanical complexity and versatility limits most existing aerial robots to only one additional locomotor mode. Here, we overcome the complexity-versatility tradeoff with RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments), which uses its bird-inspired multi-functional legs to jump rapidly into flight, walk on ground and hop over obstacles and gaps similar to the multi-modal locomotion of birds. We show that jumping for take-off contributes substantially to initial flight take-off speed and, remarkably, that it is more energy-efficient than solely propeller-based take-off. Our analysis suggests an important tradeoff in mass distribution between legs and body among birds adapted for different locomotor strategies, with greater investment in leg mass among terrestrial birds with multi-modal gait demands. Multi-functional robot legs expand opportunities to deploy traditional fixed-wing aircraft in complex terrains through autonomous take-offs and multi-modal gaits.

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