智東西10月13日消息，今日，美國耶魯大學(xué)研發(fā)的兩棲機(jī)器龜（ART）登上了國際學(xué)術(shù)頂刊Nature的封面。該研究從生物世界中汲取靈感，設(shè)計出了能同時在陸地和水域?qū)崿F(xiàn)輕松導(dǎo)航的機(jī)器龜。

(資料圖)

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05188-w▲Nature論文封面圖

海龜有腳蹼，擅長游泳；陸龜有圓腿，可在走路時承重。此項研究提出的“自適應(yīng)形態(tài)發(fā)生”設(shè)計策略，使得兩棲機(jī)器龜可以改變其四肢形態(tài)和步態(tài)，以應(yīng)對不同的環(huán)境。

▲機(jī)器龜在耶魯大學(xué)校園里爬行

這一設(shè)計思路，有望進(jìn)入生物監(jiān)測、災(zāi)難響應(yīng)、安全等實際應(yīng)用中，同時可用于研究動物運(yùn)動。

01靈感來自進(jìn)化超億年的海龜和陸龜

生物進(jìn)化過程是通過進(jìn)化更完善的遺傳程序，從而為動物提供了身體形狀，使它們能夠在其主要類型的棲息地有效地移動。但這些適應(yīng)性往往以在其他環(huán)境中的低效表現(xiàn)為代價。

同樣，當(dāng)工程師設(shè)計移動機(jī)器人時，他們也傾向于在單一操作環(huán)境的基礎(chǔ)上選擇設(shè)備的結(jié)構(gòu)和行為。其結(jié)果是固定的結(jié)構(gòu)和行為，在一個環(huán)境中表現(xiàn)出色，但卻影響了機(jī)器人適應(yīng)其他環(huán)境的能力。

目前，移動機(jī)器人的普及跨越生態(tài)監(jiān)測、倉庫管理和極端環(huán)境探索，到個人消費(fèi)者的家中。這種不斷擴(kuò)大的應(yīng)用前沿要求機(jī)器人在多個環(huán)境中運(yùn)行，這是傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計策略尚未有效解決的重大挑戰(zhàn)。

在不同環(huán)境中，機(jī)器人遇到的移動挑戰(zhàn)也不相同。為了讓機(jī)器人能好地適應(yīng)不同環(huán)境，Rebecca Kramer-Bottiglio教授課題組從陸龜和海龜中汲取靈感，構(gòu)建了一個機(jī)器龜，它融合了傳統(tǒng)的剛性部件和軟材料，從根本上增強(qiáng)了其四肢的形狀并改變了其步態(tài)以適應(yīng)多環(huán)境運(yùn)動。

▲機(jī)器龜與海龜游泳對比

▲機(jī)器龜與陸龜爬行對比

▲機(jī)器龜與烏龜滑行對比

02變形機(jī)器龜來了！陸地、水中移動效率都很高

機(jī)器龜?shù)纳眢w有一個變形肢體，能夠根據(jù)環(huán)境調(diào)整其硬度和形狀。身體包括四個子系統(tǒng)：底盤、外殼、肩關(guān)節(jié)和變形肢體。底盤容納電子元件，外殼提供流線型、用于浮力調(diào)整的壓載空間、有效載荷存儲和保護(hù)。肩部關(guān)節(jié)在運(yùn)動學(xué)配置中各有三個馬達(dá)，以實現(xiàn)一系列的步態(tài)。

▲系統(tǒng)描述：機(jī)器人組成部分

由一對簡單的氣動執(zhí)行器組成的變形肢體，與粘附在熱固性聚合物上的應(yīng)變限制層連接到每個肩關(guān)節(jié)。通過嵌入的加熱器加熱熱固性材料使其軟化，并給氣動推桿充氣，使肢體的橫截面積和硬度發(fā)生變化。這些變化使機(jī)器龜?shù)闹w能夠在有利于行走的圓柱形幾何形狀和有利于游泳的平鰭幾何形狀之間進(jìn)行適應(yīng)性變形。

在水中測試時，機(jī)器龜?shù)母×烧{(diào)整為表面和水下游泳。隨著四肢變形為腳蹼模式，研究者研究了劃水和拍打運(yùn)動。劃水步態(tài)是一個相對于機(jī)器人身體向后的劃水動作，隨后是一個向前和向背的羽化恢復(fù)動作；拍打步態(tài)的特點是由連續(xù)的上沖和下沖組成的垂直運(yùn)動輪廓。

機(jī)器龜結(jié)合了海龜和陸龜?shù)奶攸c，具有了可變形的四肢，能夠根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)整四肢形狀、剛度和動作。當(dāng)將機(jī)器龜從一種環(huán)境過渡到另一種環(huán)境時，其四肢使用可變剛度材料和人造肌肉來改變其形狀。機(jī)器龜具有靈活的四肢：

▲前肢變形過程：從鰭狀變成腿狀模式，50W加熱，30kPa充氣

▲前肢變形過程：停止加熱，保持壓力直到肢體冷卻；然后釋放壓力，進(jìn)入腿狀模式

▲前肢變形過程：再次加熱到50W，從腿狀變回鰭狀模式

03未來或可用于監(jiān)測海洋生態(tài)系統(tǒng)

機(jī)器龜融合了傳統(tǒng)的剛性部件和軟材料，從根本上增強(qiáng)了其四肢的形狀并改變了其步態(tài)以適應(yīng)多環(huán)境運(yùn)動。

▲機(jī)器龜拍打著雙鰭在水中游泳

機(jī)器龜使用腿部模式和匍匐前進(jìn)的方式來穿越堅硬的土壤部分。當(dāng)機(jī)器龜接近水面時，基質(zhì)變得更加飽和，它開始爬行，以確保穩(wěn)定性，防止直立步態(tài)的集中點負(fù)荷深入到基質(zhì)中。機(jī)器龜并沒有在開闊的水面上走很遠(yuǎn)，在變形之前，它把四肢抬出水面。當(dāng)它在淺水區(qū)僅部分被淹沒時，它依靠劃水來游泳。到達(dá)水域后，機(jī)器龜就將腿變成鰭狀肢，使其能夠以基于升力和阻力的水上步態(tài)進(jìn)行暢游。

▲機(jī)器龜從陸地爬到水里：為了在移動過程中變形，研究團(tuán)隊設(shè)計機(jī)器龜將四肢抬出水面

步態(tài)、肢體形狀和環(huán)境介質(zhì)的相互作用揭示了控制機(jī)器人運(yùn)動成本的重要參數(shù)。結(jié)果證明，自適應(yīng)形態(tài)發(fā)生是提高移動機(jī)器人遇到非結(jié)構(gòu)化、不斷變化的環(huán)境的效率的有力方法。

▲機(jī)器人所有步態(tài)的速度和CoT

根據(jù)耶魯大學(xué)團(tuán)隊博客里的詳細(xì)描述，機(jī)器龜未來潛在的應(yīng)用方向有很多。Rebecca Kramer-Bottiglio的實驗室專注于包括監(jiān)測海岸線生態(tài)系統(tǒng)、潛水員助手和海洋養(yǎng)殖等應(yīng)用。機(jī)器龜還將幫助研究人員研究海洋中復(fù)雜沖浪區(qū)的運(yùn)動物理學(xué)，那里的波浪、電流和濁度使一些機(jī)器設(shè)備的導(dǎo)航失靈。

04結(jié)語：模仿生物機(jī)理為機(jī)器人帶來更多可能

從大自然汲取設(shè)計靈感在機(jī)器人研究中已經(jīng)很常見，科學(xué)家通過這種方式研發(fā)了很多不同類型的仿生機(jī)器人，比如今年日本研發(fā)的蟑螂機(jī)器人，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊研發(fā)出來的藻類-納米顆粒混合微型機(jī)器人等。

耶魯大學(xué)團(tuán)隊的這項新研究，為研發(fā)能夠適應(yīng)多樣化環(huán)境的下一代自主系統(tǒng)提供了新思路，即通過動態(tài)調(diào)整形態(tài)，在不同環(huán)境中實現(xiàn)最佳的行動性能。

不過截至現(xiàn)在，很多仿生機(jī)器人還處于研究或初步試驗階段，距離真正的大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用及普及，還有較長的路要走。

來源：Nature、NewScientist

關(guān)鍵詞： 耶魯大學(xué) 剛性部件 形態(tài)發(fā)生