Nếu bạn là người thích dạo chơi công viên, chắc hẳn bạn đã từng nhìn thấy cảnh tượng những chú chim nhảy nhót vui vẻ trên cành. Rồi bạn có để ý rằng dường như dù cành cây to hay nhỏ, nhẵn hay xù xì, dù có bị rêu bao phủ hay không, thì loài chim vẫn luôn hạ cánh an toàn và dễ dàng, thậm chí chúng có thể ngủ ở đó mà không gặp bất cứ khó khăn nào.
Theo đó, các nhà khoa học đã tinh ý quan sát và phát hiện ra hiện tượng này từ rất sớm, và họ đã học hỏi điều này từ những chú chim. Sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển, họ đã thành công trong việc lấy cảm hứng từ loài chim để ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ drone (thiết bị bay tự động). Họ đã chế tạo ra một con robot có tên SNAG, sử dụng cơ chế hoạt động linh hoạt tương tự như đôi chân của loài chim, con robot này có thể bay lượn xung quanh, đậu trên nhiều bề mặt khác nhau và gắp các vật thể bằng đôi chân của mình.
Hai nhà khoa học, kỹ sư Mark Cutkosky của Đại học Stanford, Hoa Kỳ và David Lentink của Đại học Groningen, Hà Lan, đã lấy cảm hứng từ loài chim và phát minh ra SNAG.
Vậy làm thế nào những con chim có thể thành thạo kỹ năng này? Làm thế nào mà các nhà khoa học học được mánh khóe từ các loài chim để chế tạo thêm một cặp móng vuốt đáng tin cậy như vậy vào máy bay không người lái?
Trong tự nhiên có rất nhiều loài chim, và khả năng nắm lấy cành của chúng không phải loài nào cũng giống nhau. Các loài chim như đà điểu, hồng hạc hoặc vịt không có khả năng bay xa hoặc đậu trên cây, và móng vuốt của chúng tương đối yếu; trong khi đó hầu hết các loài chim khác lại sở hữu khả năng đứng trên cành khá ổn định, thậm chí là có thể ngủ trên những cành cây phủ đầy rêu.
Trên thực tế, yếu tố góp phần lớn nhất vào khả năng này của loài chim là cấu tạo móng vuốt đặc biệt của nó. Từ lớp biểu bì đến cơ bắp, dây chằng đến xương, qua hàng nghìn năm tiến hóa đã khiến từng chi tiết của móng vuốt chim được thiết kế riêng cho một hành động nhỏ là "cầm nắm".
Hãy bắt đầu với làn da. Tôi tin rằng ai cũng đã từng ăn qua một món đó là chân gà, nếu quan sát kỹ sẽ thấy bề mặt chân gà nổi nhiều u nhỏ, và đặc biệt phần tiếp xúc với mặt đất sẽ có những khối u nhỏ dày đặc hơn. Hầu hết các loài chim khác cũng có cấu trúc vảy và sừng trên bàn chân của chúng, giúp tăng tối đa diện tích tiếp xúc và ma sát giữa móng của chim và mặt đất, cành cây, nó giúp chim có thể cầm nắm ngay cả trên dây điện trơn trượt một cách vững chắc.
Ngoài ra, lớp da này cứng và không có dây thần kinh đau, điều này đảm bảo chim có thể hạ cánh xuống các cành cây hoặc mặt đất gồ ghề mà không không lo bị cắt, xước.
Không chỉ lớp da bên ngoài và móng vuốt, các cơ, dây chằng và xương của con chim giống như một cỗ máy tinh tế được xếp khít vào nhau. Hầu hết các loài chim đều có bốn móng với ba móng ở phía trước và một ở phía sau, những móng này mỏng và dài, thích hợp để quấn quanh những cành cây có độ dày khác nhau. Khi móng của chim ngoạm vào cành, chim sẽ nhanh chóng ngồi xổm xuống nửa thân sau, co chân lại, các gân cơ gấp sẽ tự động siết lại, dẫn động vuốt để kẹp chặt cành. Hành động nhỏ bé "ngồi xuống" dường như thúc đẩy một loạt các cơ quan, tất cả cùng một lúc. Lúc này, những chiếc móc cài được buộc chặt giống như bị "khóa chặt", và chúng sẽ không thể dễ dàng bung ra.
Điều bất ngờ là, không giống như bàn tay con người bị căng ra khi nắm vật, các cơ ở móng vuốt của loài chim được thả lỏng khi chúng siết chặt lại, tức là loài chim chỉ cần tác dụng lực nhỏ khi hạ cánh và có thể cất cánh một cách dễ dàng.
Vì thế, lũ chim có thể dễ dàng đứng trên cành và chợp mắt. Cùng với thực tế là chim có thể hoạt động một nửa não của mình ngủ, vì vậy khi chợp mắt trên cây, chim vẫn có thể điều chỉnh các bộ phận khác nhau của cơ thể và duy trì sự cân bằng.
Trong một thời kỳ trước đó, con người đã học các nguyên tắc bay của chim, cải tiến và phát minh ra máy bay. Sau này, dù những chiếc trực thăng và drone nhỏ với đôi cánh xoắn ốc không còn có cấu tạo tương tự như cánh của loài chim, nhưng người ta vẫn có thể lấy rất nhiều cảm hứng từ loài chim để rồi thêm chúng vào drone. Và SNAG cũng như vậy, nó là một kết quả khác của con người học hỏi từ các loài chim.
SNAG được làm bằng công nghệ in 3D, chất liệu nhẹ, chắc và bền. Cấu trúc tổng thể được mô phỏng theo móng vuốt của đại bàng, bao gồm biểu bì móng chân, xương và các gân liên kết chính.
Bề mặt móng vuốt của SNAG có các miếng đệm ngón chân tăng cường ma sát và các đầu vuốt để đảm bảo đủ ma sát với bề mặt tiếp xúc. Cơ cấu truyền động bao gồm bánh răng và thanh kết nối, tương tự như gân xương của móng vuốt đại bàng, đảm bảo độ cứng của tay cầm và tiêu thụ năng lượng thấp. Tương tự như đặc điểm của cơ chim, SNAG cũng ở trạng thái năng lượng thấp tự nhiên khi duy trì lực bám tĩnh.
Thiết kế được mô phỏng theo móng vuốt của đại bàng, đã thành công rực rỡ và SNAG có thể bám vào các bề mặt khác nhau trong thời gian dài, bao gồm cả cành cây và mặt đất không bằng phẳng. Nó cũng có thể nắm bắt và di chuyển đồ vật được chỉ định, giống như móng vuốt của một con đại bàng thực sự.
Giống như móng vuốt của loài chim, nhiệm vụ chính của móng vuốt cơ học này là hạ cánh và thực hiện hành động nắm lấy, cả hai chức năng này đều có ý nghĩa đặc biệt đối với hoạt động thực tế của máy bay không người lái.
Trước hết, tiết kiệm năng lượng là một trong những chỉ số quan trọng để kiểm tra hiệu suất của máy bay không người lái. Tuy nhiên, trong các nhiệm vụ như theo dõi động vật hoang dã và khảo sát tình hình, thiết bị bay không người lái phải di chuyển trong thời gian dài, do đó nguồn điện hiện có không thể hỗ trợ hoàn thành nhiệm vụ. Nếu bạn có thể dựa vào SNAG để hạ cánh, mức tiêu thụ điện năng sẽ ít hơn 1/10 so với thông thường, điều này làm giảm đáng kể mức độ tiêu thụ năng lượng của máy bay không người lái.
Thứ hai, khả năng lấy và vận chuyển các mặt hàng thậm chí còn được thể hiện rõ ràng hơn đối với tiện ích chung của máy bay không người lái. Trong một số môi trường, ví dụ, những khu vực phức tạp và hiểm trở mà con người khó tiếp cận hoặc những khu vực có nguy cơ tai nạn cao, chẳng hạn như hầm mỏ chứa đầy khí độc, đầm lầy nơi sinh vật nguy hiểm ẩn nấp, v.v., UAV có thể hoàn thành nhiệm vụ phát hiện nhanh chóng, lấy mẫu và vận chuyển chúng.
Mặc dù SNAG hiện tại vẫn còn một số vấn đề như thao tác cầm nắm yêu cầu thao tác thủ công và không thể tự động phát hiện các bề mặt phức tạp để nhanh chóng đưa ra hành động phù hợp để cầm nắm, nhưng nó vẫn mang lại cho chúng ta một không gian rộng lớn để tưởng tượng.
Trong tương lai, SNAG có thể trở thành cấu hình tiêu chuẩn của UAV trong một số tình huống phức tạp, hiện thực hóa hoạt động lâu dài và thu thập mẫu linh hoạt của UAV, và cũng có thể tỏa sáng trong các tình huống ứng dụng như các loại robot khác.
SNAG là một thành tựu tinh tế khác đạt được do con người bắt chước các loài chim và nó là một tiến bộ của robot sinh học. Trên thực tế, bản chất của khoa học là tạo ra tiến bộ thông qua sự tìm tòi, cảm hứng và đổi mới không ngừng, để học hỏi từ thiên nhiên, nắm vững các quy luật và biến chúng thành sức mạnh của sự tiến bộ của nhân loại.