亞歷山大·巴爾迪-斯普羅維茨見過的解剖過的鴕鳥比普通工程師還多。十二年前，這位當時在德國斯圖加特的馬克斯·普朗克智慧系統研究所的研究員，試圖設計一種基於腿的機器人，其靈感來自鳥類生物學。問題在於，大多數生物學家並沒有以工程師友好的術語來描述動物解剖學。“他們的目標不是製造機器人，”巴爾迪-斯普羅維茨指出。“作為一名工程師，這對我來說有點令人沮喪，因為我需要某些型別的資訊。”
後來他遇到了莫妮卡·戴利，當時是英國皇家獸醫學院的獸醫科學家，她為他提供了一個博士後職位，與她的獸醫學生一起工作。“這讓我開始思考如何利用我們對運動和動物的理解來開發更敏捷的機器人，”戴利說。現在，獸醫經驗和硬機器人技術的結合已經得到了回報。這兩位研究人員與巴爾迪-斯普羅維茨實驗室的成員一起，創造了鳥類機器人——一種雙足機器，有一天可能會探索像茂密的森林這樣的地形，而輪式或履帶式機器人無法移動。他們的研究結果在3月16日的《科學機器人學》雜誌上進行了描述。
對於機器人專家來說，鳥類是一個特別有趣的研究物件，因為它們像人類一樣，用兩條腿直立行走。“鑑於現存大約有 10,000 種鳥類，而人類只有一種，鳥類在幫助我們理解雙足行走如何工作方面可以提供很多資訊，”哈佛大學比較動物學博物館的生物力學研究員彼得·畢曉普說，他沒有參與鳥類機器人的創造。
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這類資訊對於那些想要複製雙足運動的人來說至關重要。巴爾迪-斯普羅維茨解釋說，這樣做“非常困難，因為存在許多非常劇烈的衝擊”。“這就像您要持續降落飛機一樣。”當跑步者的腳撞擊地面時，它會以高達跑步者體重三倍的力著地；即使是步行也會將衝擊力放大約 1.5 倍。雙足鳥類（或受鳥類啟發的機器人）不僅要應對這種反覆的碰撞；它還必須能夠在單腳上保持平衡。
鳥類機器人渲染圖。 來源：馬克斯·普朗克智慧系統研究所動態運動小組/加利福尼亞大學爾灣分校；亞歷山大·巴德里-斯普羅維茨等人在《科學機器人學》第 7 卷第 64 期（2022 年 3 月）中發表的《鳥類機器人透過使用受鳥類啟發的腿部離合器和最小控制實現節能步態》
為了在移動時保持鳥類機器人直立，該團隊設計了一種彈簧載入系統，能夠快速在伸展和彎曲的肢體位置之間切換。“關鍵是要將腳視為在兩種狀態之間切換的機械觸發器，”巴爾迪-斯普羅維茨說。與人類一樣，鳥類也有肌肉和肌腱，它們跨越多個關節伸展，形成一個滑輪狀結構，可以自動以特定方式移動連線的骨骼。但與人類腿部的肌肉和肌腱最多隻能連線兩個關節不同，鳥類肢體的肌肉和肌腱可以跨越最多五個關節。鳥類機器人使用一個五關節網路，模仿鴕鳥等不會飛的鳥類在野外奔跑時的腿部運動。
這種設定提供了一個優勢，它允許鳥類的腿比其神經系統執行得更快。雖然神經衝動似乎是瞬時的，但它們需要一些時間才能從大腦傳遞到肌肉。但是，藉助五關節肌肉網路，鳥類不必獨立地發出每個肌肉的訊號。它只需移動一個，整個系統就會啟動。“這有點像木偶大師從頂部控制一切，”戴利說。對於巴爾迪-斯普羅維茨的團隊來說，這種佈置消除了鳥類機器人腿部對大量複雜平衡和壓力感測器的需求。與類似尺寸的機器人相比，這使得機器人更纖薄、尺寸更容易擴充套件，並且功耗降低約 75%。
英國南安普頓大學的生物力學工程師馬庫斯·海勒說：“他們已經表明，透過使用這種穩定的關節，您可以找到一種非常優雅的方式來實現節能，而且您無需非常複雜的控制機制即可實現這一點。”他沒有參與鳥類機器人專案。
畢曉普說，該專案是“最棒的科學”。但他認為未來的鳥類機器人設計還有改進的空間。例如，當前版本的機器人只能沿一個平面移動：向前和向後，但不能側向移動。“所有肢體關節都是簡單的鉸鏈，因此該機器人更像是‘2.5D’，”他說（而不是完全三維）。
巴爾迪-斯普羅維茨希望在以後的迭代中解決這一侷限性。理想情況下，他設想受鳥類啟發的機器人在林業和可持續農業實踐中為人類提供幫助（或腳）。一些農場已經使用自動拖拉機來幫助耕地和噴灑作物，但這些輪式機器人在不平坦或樹木茂密的地形上幾乎毫無用處。“腿式機器人可以克服輪式機器人目前受阻的那些障礙，”巴爾迪-斯普羅維茨說。這將使它們能夠清除複雜的間作農場中的雜草，或者深入森林以監測倒下的樹木。
此類研究也可能使生物學家和工程師更接近於理解鳥類身體的複雜性——以及我們自己的身體。“我們在 50 年前就訪問過月球，”海勒說。“但是，如果今天你問我們，‘膝蓋到底是如何工作的？’我認為我們仍然不太確定所有細節。”