A dynamics and stability framework for avian jumping take-off

Landing and take-off capabilities of bioinspired aerial vehicles: a review

Bioinspired flapping-wing micro aerial vehicles (FWMAVs) have emerged over the last two decades as a promising new type of robot. Their high thrust-to-weight ratio, versatility, safety, and maneuverability, especially at small scales, could make them more suitable than fixed-wing and multi-rotor vehicles for various applications, especially in cluttered, confined environments and in close proximity to humans, flora, and fauna. Unlike natural flyers, however, most FWMAVs currently have limited take-off and landing capabilities. Natural flyers are able to take off and land effortlessly from a wide variety of surfaces and in complex environments. Mimicking such capabilities on flapping-wing robots would considerably enhance their practical usage. This review presents an overview of take-off and landing techniques for FWMAVs, covering different approaches and mechanism designs, as well as dynamics and control aspects. The special case of perching is also included. As well as discussing solutions investigated for FWMAVs specifically, we also present solutions that have been developed for different types of robots but may be applicable to flapping-wing ones. Different approaches are compared and their suitability for different applications and types of robots is assessed. Moreover, research and technology gaps are identified, and promising future work directions are identified.

A wing-assisted incline running exercise regime during rearing increases initial flight velocity during descent in adult white- and brown-feathered laying hens

Domestic laying hens rely primarily on their hindlimbs for terrestrial locomotion. Although they perform flapping flight, they appear to use maximal power during descent and thus may lack control for maneuvering and avoiding injuries on landing. This in turn may result in injury in open rearing systems. Wing-assisted incline running (WAIR) requires a bird to use its wings to assist the hindlimbs during climbing of an incline, and training in WAIR may therefore provide a useful method to increase a hen's power reserve and control for flight. We subjected hens to an exercise regimen involving inclines to induce WAIR for 16 wk during rearing. We then measured wing and body kinematics during aerial descent from a 155 cm platform. We hypothesized that birds reared with exercise would be better able to modulate their wing and body kinematics for making slower, more-controlled descent and landing. Brown-feathered birds exhibited greater wing beat frequencies than white-feathered birds, which is consistent with the higher wing loading of brown-feathered birds and WAIR-trained birds exhibited greater initial flight velocities compared to control birds. This may indicate that WAIR training provided an improved capacity to modulate flight velocity and strengthen the leg muscles. Providing incline exercises during rearing may therefore improve welfare for adult laying hens as greater initial flight velocity should reduce the power required for supporting body weight in the air and allow a hen to direct her excess power toward maneuvering.

CLOVER Robot: A Minimally Actuated Jumping Robotic Platform

Robots have been critical instruments to exploration of extreme environments by providing access to environments beyond human limitations. Jumping robot concepts are attractive solutions to negotiate complex and cluttered terrain. However, among the engineering challenges that need to be addressed to enable sustained operation of jumping robot concepts in extreme environments, the reduction of mechanical failure modes is one of the most fundamental. This study sets out to develop a jumping robot design, with a focus on a minimal actuation to support reduced mechanism maintenance and thus limit the number of mechanical failure modes. We present the synthesis of a Sarrus-style linkage to constrain the system to a single translational degree of freedom thus removing the need for synchronising gears, which exhibit high failure rates in dusty environments. We have restricted the present research to vertical solid jumps to assess the performance of the fundamental main-drive linkage. A laboratory demonstrator assists the transfer of theoretical concepts and approaches to practical implementation. The laboratory demonstrator performs jumps with 63% potential-to-kinetic energy conversion efficiency, with a theoretical maximum of 73%. Satisfactory operation opens up design optimisation and directional jump capability towards the development of a jumping robotic platform for extreme environments exploration.

Review of morphology, development, and evolution of the notarium in birds

The notarium is a rigid bony structure, which resulted from the fusion of thoracic vertebrae of some pterosaurs and birds. It is high variable, ranging from two to six fused thoracic vertebrae. In this study, we reviewed and analyzed approximately 270 specimens of neornithine birds (representing 80% of the living orders) and some fossils in order to identify the number of fused vertebrae, degree and sites of vertebral fusion, occurrence of sutures, and other structures of potential phylogenetic and functional significance. These data were analyzed using a recent time-calibrated molecular phylogenetic tree and principal component analyses analysis evaluating the relationship with long bones in order to reconstruct macroevolutionary trends related to the evolution of the notarium. The occurrence of this structure shows a mosaic distribution over neornithine phylogeny, originating several times independently, especially during the Paleogene, in predominantly ground-dwelling forms. The notarium of these groups is characterized by: neural spines fused into single structure, intervertebral openings small to absent, large ventral keels forming ventral plates, and fused transverse processes. Derived neornithines, such as aquatic forms and long-legged birds, have a tendency to display a decreased degree of fusion between the vertebrae, which may indicate a reduction or disappearance of the notarium.

Predictive Simulations of Musculoskeletal Function and Jumping Performance in a Generalized Bird

Jumping is a common, but demanding, behavior that many animals employ during everyday activity. In contrast to jump-specialists such as anurans and some primates, jumping biomechanics and the factors that influence performance remains little studied for generalized species that lack marked adaptations for jumping. Computational biomechanical modeling approaches offer a way of addressing this in a rigorous, mechanistic fashion. Here, optimal control theory and musculoskeletal modeling are integrated to generate predictive simulations of maximal height jumping in a small ground-dwelling bird, a tinamou. A three-dimensional musculoskeletal model with 36 actuators per leg is used, and direct collocation is employed to formulate a rapidly solvable optimal control problem involving both liftoff and landing phases. The resulting simulation raises the whole-body center of mass to over double its standing height, and key aspects of the simulated behavior qualitatively replicate empirical observations for other jumping birds. However, quantitative performance is lower, with reduced ground forces, jump heights, and muscle–tendon power. A pronounced countermovement maneuver is used during launch. The use of a countermovement is demonstrated to be critical to the achievement of greater jump heights, and this phenomenon may only need to exploit physical principles alone to be successful; amplification of muscle performance may not necessarily be a proximate reason for the use of this maneuver. Increasing muscle strength or contractile velocity above nominal values greatly improves jump performance, and interestingly has the greatest effect on more distal limb extensor muscles (i.e., those of the ankle), suggesting that the distal limb may be a critical link for jumping behavior. These results warrant a re-evaluation of previous inferences of jumping ability in some extinct species with foreshortened distal limb segments, such as dromaeosaurid dinosaurs.

Simulations prédictives de la fonction musculo-squelettique et des performances de saut chez un oiseau généralisé Sauter est un comportement commun, mais exigeant, que de nombreux animaux utilisent au cours de leurs activités quotidiennes. Contrairement aux spécialistes du saut tels que les anoures et certains primates, la biomécanique du saut et les facteurs qui influencent la performance restent peu étudiés pour les espèces généralisées qui n’ont pas d’adaptations marquées pour le saut. Les approches de modélisation biomécanique computationnelle offrent un moyen d’aborder cette question de manière rigoureuse et mécaniste. Ici, la théorie du contrôle optimal et la modélisation musculo-squelettique sont intégrées pour générer des simulations prédictives du saut en hauteur maximal chez un petit oiseau terrestre, le tinamou. Un modèle musculo-squelettique tridimensionnel avec 36 actionneurs par patte est utilisé, et une méthode numérique nommée “direct collocation” est employée pour formuler un problème de contrôle optimal rapidement résoluble impliquant les phases de décollage et d’atterrissage. La simulation qui en résulte élève le centre de masse du corps entier à plus du double de sa hauteur debout, et les aspects clés du comportement simulé reproduisent qualitativement les observations empiriques d’autres oiseaux sauteurs. Cependant, les performances quantitatives sont moindres, avec une réduction des forces au sol, des hauteurs de saut et de la puissance musculo-tendineuse. Une manœuvre de contre-mouvement prononcée est utilisée pendant le lancement. Il a été démontré que l’utilisation d’un contre-mouvement est essentielle à l’obtention de hauteurs de saut plus importantes, et il se peut que ce phénomène doive exploiter uniquement des principes physiques pour réussir; l’amplification de la performance musculaire n’est pas nécessairement une raison immédiate de l’utilisation de cette manœuvre. L’augmentation de la force musculaire ou de la vitesse de contraction au-dessus des valeurs nominales améliore grandement la performance de saut et, fait intéressant, a le plus grand effet sur les muscles extenseurs des membres plus distaux (c'est-à-dire ceux de la cheville), ce qui suggère que le membre distal peut être un lien critique pour le comportement de saut. Ces résultats justifient une réévaluation des déductions précédentes de la capacité de sauter chez certaines espèces éteintes avec des segments de membres distaux raccourcis, comme les dinosaures droméosauridés.

Voorspellende simulaties van musculoskeletale functie en springprestaties bij een gegeneraliseerde vogel Springen is een veel voorkomend, maar veeleisend, gedrag dat veel dieren toepassen tijdens hun dagelijkse bezigheden. In tegenstelling tot de springspecialisten zoals de anura en sommige primaten, is de biomechanica van het springen en de factoren die de prestaties beïnvloeden nog weinig bestudeerd voor algemene soorten die geen uitgesproken adaptaties voor het springen hebben. Computationele biomechanische modelbenaderingen bieden een manier om dit op een rigoureuze, mechanistische manier aan te pakken. Hier worden optimale controle theorie en musculoskeletale modellering geïntegreerd om voorspellende simulaties te genereren van maximale hoogtesprong bij een kleine grondbewonende vogel, een tinamou. Een driedimensionaal musculoskeletaal model met 36 actuatoren per poot wordt gebruikt, en directe collocatie wordt toegepast om een snel oplosbaar optimaal controleprobleem te formuleren dat zowel de opstijg-als de landingsfase omvat. De resulterende simulatie verhoogt het lichaamszwaartepunt tot meer dan het dubbele van de stahoogte, en belangrijke aspecten van het gesimuleerde gedrag komen kwalitatief overeen met empirische waarnemingen voor andere springende vogels. De kwantitatieve prestaties zijn echter minder, met verminderde grondkrachten, spronghoogtes en spierpeeskracht. Tijdens de lancering wordt een uitgesproken tegenbewegingsmanoeuvre gebruikt. Aangetoond is dat het gebruik van een tegenbeweging van cruciaal belang is voor het bereiken van grotere spronghoogten, en dit fenomeen hoeft alleen op fysische principes te berusten om succesvol te zijn; versterking van de spierprestaties hoeft niet noodzakelijk een proximate reden te zijn voor het gebruik van deze manoeuvre. Het verhogen van de spierkracht of van de contractiesnelheid boven de nominale waarden verbetert de sprongprestatie aanzienlijk, en heeft interessant genoeg het grootste effect op de meer distale extensoren van de ledematen (d.w.z. die van de enkel), wat suggereert dat de distale ledematen een kritieke schakel kunnen zijn voor het springgedrag. Deze resultaten rechtvaardigen een herevaluatie van eerdere conclusies over springvermogen bij sommige uitgestorven soorten met voorgekorte distale ledematen, zoals dromaeosauride dinosauriërs.

Prädiktive Simulationen der muskuloskelettalen Funktion und Sprungleistung bei einem generalisierten Vogel Springen ist ein übliches jedoch anstrengendes Verhalten, das viele Tiere bei ihren täglichen Aktivitäten einsetzen. Im Gegensatz zu Springspezialisten, wie Fröschen und einigen Primaten, sind bei allgemeinen Arten, welche keine ausgeprägten Anpassung für Sprungverhalten aufweisen, die Biomechanik beim Springen und die Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit beeinflussen, noch wenig untersucht. Computergestützte biomechanische Modellierungsverfahren bieten hier eine Möglichkeit, dies in einer gründlichen, mechanistischen Weise anzugehen. In dieser Arbeit werden die optimale Steuerungstheorie und Muskel-Skelett-Modellierung zusammen eingesetzt, um die maximale Sprunghöhe eines kleinen bodenlebenden Vogels, eines Perlsteisshuhns, zu simulieren und zu prognostizieren. Es wird ein dreidimensionales Muskel-Skelett-Modell mit 36 Aktuatoren pro Bein verwendet, und durch direkte Kollokation wird ein schnell lösbares optimales Steuerungsproblem formuliert, das sowohl die Abstoss- als auch die Landephase umfasst. Die daraus folgende Simulation bringt den Ganzkörperschwerpunkt auf mehr als das Doppelte seiner Standhöhe und entscheidende Aspekte des simulierten Verhaltens entsprechen qualitativ empirischen Beobachtungen für andere springende Vögel. Allerdings ist die quantitative Leistungsfähigkeit geringer, mit reduzierten Bodenkräften, Sprunghöhen und Muskel-Sehnen-Kräften. Beim Abstossen wird ein ausgeprägtes Gegenbewegungsmanöver durchgeführt. Die Durchführung einer Gegenbewegung ist nachweislich entscheidend für das Erreichen grösserer Sprunghöhen, wobei dieses Phänomen möglicherweise nur physikalische Prinzipien auszuschöpfen braucht, um erfolgreich zu sein. Die Verstärkung der Muskelleistung ist daher möglicherweise nicht zwingend ein unmittelbarer Grund für die Verwendung dieses Manövers. Eine Erhöhung der Muskelkraft oder der Kontraktionsgeschwindigkeit über die Nominalwerte hinaus führt zu einer erheblichen Zunahme der Sprungleistung und hat interessanterweise den grössten Effekt bei den weiter distal gelegenen Streckmuskeln der Beine (d.h. bei denjenigen des Sprunggelenks), was darauf hindeutet, dass die distale Gliedmasse ein entscheidendes Element für das Sprungverhalten sein könnte. Diese Ergebnisse geben Anlass zur Überprüfung früherer Schlussfolgerungen hinsichtlich der Sprungfähigkeit einiger ausgestorbener Arten mit verkürzten distalen Gliedmassen, wie beispielsweise bei dromaeosauriden Dinosauriern.