机器人翻身的曙光:像扣头甲一样蹦跶

原创  2017-12-12  作者  Nature自然科研

原文以High-jumping beetle inspires agile robots为标题

发布在2017年11月13日的《自然》新闻上

原文作者:Alexandra Witze

多亏了这种不需要用脚就可以纠正其自身姿势的小昆虫,机器(人)可以自己从麻烦的环境里脱身了。

甲虫背朝下落地之后能够高高弹起,这种不用脚就能翻身的方法为新一代智能机器人的研发提供了思路。


想象一个救援机器人在满是障碍物的灾区跳跃前行,或者一个星球探测机器人在火星上意外摔倒后能够自行爬起。这里面或多或少都受到了叩头甲的启发。叩头甲家族有特殊的弹跳技能帮助它们脱离险境。

叩头甲身体各节独特的连接方式使他们能跳得非常高。

Brian L. Stauffer

“现在很多机器人都通过腿实现跳跃。”伊利诺伊大学香槟分校的机械工程师Aimy Wissa说,“而所谓头甲弹跳的独特点在于一旦发生什么,不用腿也能跳起来从而脱离困境。


由机械工程研究生Ophelia Bolmin作引言, Wissa和她的同事在11月7日在科罗拉多州丹佛市召开的美国昆虫协会的一次会议上,介绍了叩头甲跳跃的机械原理。他们的初步研究结果发表在7月一次仿生机器人会议的会议刊物中。


到目前为止,科学家们已经研究了叩头甲是如何储存并保持它们弹跳所需要的能量的。他们希望能够据此尽快建造基于甲虫弹跳原理的机器人模型。

叩头甲是何方神圣?

世界上大约有10000种叩头甲。它们的头部和体部的连接方式使它们能够缓慢弓起身体然后突然啪地反向闭合,整个身体成镰刀状,随着咔嗒一声高高弹起。早期研究显示,在空中翻身之前甲虫的弹跳几乎是完全垂直的。

叩头甲弹跳的力量相当惊人。

Ophelia Bolmin/University of Illinois at Urbana-Champaign

倘若甲虫背朝下落地,它们会再做同样的弹跳动作。而瓢虫则只会不断扭动背部直到转动到特定角度依靠腿部的牵引力翻过身来。


伊利诺伊团队试图分析叩头甲是如何实现这个高难度弹跳的。“当初我们觉得可以研究一下它们究竟是如何跳起来的,能量在这个过程中是如何释放的。”Marianne Alleyne说,她是团队中的一名昆虫学家。


学生们测量了4种不同品种的甲虫Alaus oculatus、Ampedus nigricollis、Ampedus linteusMelanotus spp.的尺寸,用高速摄像机记录了弹跳的过程,并分析了甲虫牵拉连接处然后再松开所需要的能量。伊利诺伊大学团队认为仅凭肌肉的力量是不够的,因为肌肉收缩相对缓慢,因此身体的其他部分(例如肌腱)也应该参与了弹跳过程。

到底跳得有多高?

研究人员还测量了连接处啪一声反向闭合时力的下降程度,证明其和甲虫弹起瞬间的咔哒声相符。现在他们在研究不同大小的甲虫弹起时所需要的能量。叩头甲尺寸差异非常大,小到几毫米,大到几厘米;Wissa说早期研究表明甲虫越大,它的弹跳高度越高。


工程师们已经研发了一些能够用脚跳跃的敏捷机器人,其中一个是模仿婴猴建造的,婴猴是所有动物中纵跳最高的。“就小型机器人越过障碍物而言,跳跃无疑是比爬行更快捷也更有效的方式。”斯坦福大学的机械工程师Mark Cutkosky说。


“甲虫模式的好处在于即便机器人的脚出现了故障,机器人仍然能够摆脱困境。”Wissa说,“这能够在很大程度上简化设计。”


“根据叩头甲弹跳原理设计的机器人体型必须很小,可能只有几十克。”Gal Ribak说,他是以色列特拉维夫大学研究甲虫弹跳的生物力学专家,“否则,弹跳会需要很大的能量,而且反复弹起和落地的冲击力会造成机械损伤。”


但是探索外星球的机器人并不受体型限制。外星球重力作用小,因此“甲虫机器人”可以轻易跳得非常高。

Nature|doi: 10.1038/nature.2017.22981

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