昆虫级机器人“大显身手”，挑战各种地形运动，跳上悬停无人机

昆虫级机器人凭借小巧身形，能深入大型机器人无法涉足的区域，比如在倒塌建筑物内部，执行地震后搜寻幸存者的重要任务。

不过，他们面临两大运动挑战：能量受限和远超其体型的大型障碍物。陆地运动效率高，但大多局限于平坦表面；相比之下，飞行虽然灵活多变，但需要强大的动力才能保持高空飞行。

为充分发挥两种运动方式的优势，麻省理工学院的研究人员开发了一款跳跃机器人。它既能轻松跃过高大障碍物，跨越倾斜或不平坦的表面，能耗还比空中机器人低很多。相关成果于近日发表在Science Advances期刊。

这款跳跃机器人的身高仅约 5 厘米重量不到 1 克，比回形针还轻。其腿上安装有弹簧，当单腿跳跃时，会将离地高度的势能转化为动能。撞击地面时，动能又会转化回势能，如此循环往复。另外还有四个扑翼模块可以提供升力并控制方向。

该机器人能以每秒约 30 厘米的横向速度，跳到约 20 厘米的空中，相当于其身高的4倍。而且，它能毫不费力地跨越冰面、潮湿路面和不平坦的土壤，甚至能跳到悬停的无人机上。经测试，这款跳跃机器人的能耗比其他飞行机器人低约 60%

得益于轻盈的重量、出色的耐用性以及跳跃过程中的高效能源利用，这款机器人的有效载荷能力是类似尺寸空中机器人的 10 倍，为众多新应用开辟了广阔前景。

麻省理工学院研究生、跳跃机器人相关论文的共同第一作者 Yi-Hsuan（Nemo）Hsiao 表示：“和飞行机器人相比，跳跃机器人更便于搭载电池、电路和传感器。我们期待有朝一日，它能走出实验室，在现实场景中大展身手。”

参与这项研究的还包括：共同第一作者、香港大学研究助理教授 Songnan Bai；即将入学麻省理工学院的研究生 Zhongtao Guan，他以访问本科生身份参与了此项研究；麻省理工学院的 Suhan Kim 和 Zhijian Ren；资深作者、香港城市大学副教授 Pakpong Chirarattananon；以及麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授、电子研究实验室软与微机器人实验室负责人 Kevin Chen。

最大限度地提高效率

跳跃在昆虫世界中极为常见，跳蚤跳到新宿主身上、蚱蜢在草地上蹦跶，都是典型例子。但在昆虫大小的机器人领域，跳跃并不常见，它们大多选择飞行或爬行。实际上，跳跃在能源效率方面具有显著优势。

机器人跳跃时，会将离地高度产生的势能转化为下落时的动能。动能在撞击地面时又转化回势能，上升时再次转化为动能，如此循环。

为提升这一过程的效率，麻省理工学院的这款机器人安装了一条由压缩弹簧制成的弹性腿，其结构类似按动笔上的弹簧。机器人落地时，弹簧能将向下的速度转变为向上的速度。

Hsiao 解释道：“要是弹簧是理想状态，机器人就能毫无能量损耗地持续跳跃。但实际的弹簧并非完美，所以我们借助拍打模块，补偿其与地面接触时损失的少量能量。”

机器人弹回空中时，扑翼会提供升力，同时确保其保持直立姿态，并为下一次跳跃调整方向。它的四个扑翼机构由柔软的致动器（即人造肌肉）驱动，这些致动器十分耐用，即便反复与地面撞击也不易损坏。“在一系列实验过程中，我们始终使用同一个机器人，从未中途停下来维修过。”

机器人性能的关键在于快速控制机制，它决定了机器人下一次跳跃的定位。通过外部运动跟踪系统进行传感，观察者算法利用传感器测量数据，计算出所需的控制信息。

机器人跳跃时，会沿弹道轨迹在空中划出弧线。在轨迹顶点，它会估算着陆位置。然后，依据目标着陆点，控制器计算出下一次跳跃所需的起飞速度。飞行过程中，机器人通过拍打翅膀调整方向，使其以合适的角度和轴着地，从而实现正确的方向和速度移动。

耐用性和灵活性

研究人员在草地、冰面、湿玻璃甚至不平坦的地面等不同表面上测试了该机器人。机器人没有出现任何问题。即使在移动的表面上，它也能稳定地跳跃，最高可达 20 厘米。

Hsiao 说：“机器人不太受着陆表面角度的影响。只要撞击地面时不打滑，就能正常运作。”

然而，在草地上跳跃比在玻璃表面上跳跃需要更多的能量，因为为了抵消草地的阻尼效应，翅膀拍打需要消耗更多的能量。

得益于小巧的体积和轻盈的重量，这款机器人的转动惯量更小，相比大型机器人，它更加灵活，抗碰撞能力也更强。

这款机器人还能完成一些特技动作，例如翻筋斗或跳上飞行中的无人机。此外，研究团队展示的跳跃机器人可承载两倍重量，而其最大有效载荷可能远不止于此。增加重量并不会降低机器人的效率，实际上，弹簧的效率才是限制其承载能力的关键因素。

展望未来，研究人员计划利用机器人的重物承载能力，为其安装电池、传感器和其他电路，期望它能实现自主运作，走出实验室，应用于现实场景。

未参与此项研究的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校助理教授 Justin Yim 评价称：“多模态机器人（融合多种运动策略的机器人）通常很难研制，在如此微小的尺寸下实现更是难能可贵。这款小型多模态机器人功能多样，能在崎岖或移动的地形上翻转、跳跃，甚至跳到其他机器人上，令人惊叹。该研究展示的连续跳跃能力，可助力机器人在障碍物繁多的环境中实现敏捷、高效的移动。”

https://news.mit.edu/2025/hopping-gives-tiny-robot-leg-up-0409