豪猪+千足虫合体！意大利团队打造柔骨机器人，3D打印一体成型

在搜救现场的废墟之下，在工业管道的狭窄深处，或是在人类难以涉足的危险环境中，我们迫切需要一种能够灵活穿行、适应复杂地形的机器人。

传统的轮式或履带式机器人虽然在平地上表现出色，但一旦遇到障碍或不平坦的路面，往往就显得力不从心。为了解决这个难题，全球的机器人科学家们将目光投向了自然界——那些历经亿万年演化、拥有超强地形适应能力的生物。

最近，来自意大利比萨圣安娜高等学校、热那亚大学以及英国诺丁汉特伦特大学等机构的研究团队，就从千足虫和豪猪身上汲取灵感，推出了一款名为Porcospino Flex的单履带机器人。

它最核心的突破，在于拥有了一根一体化3D打印的、柔性顺应的“脊椎骨”。这一设计不仅让机器人的机动性大幅提升，还成功为其“瘦身”600克，能耗也随之降低了约15%。

这项成果已发表在机器人领域期刊Robotics上。那么，这只融合了两种生物特性的机器人，究竟是如何炼成的？

▍一身柔骨，灵感来自千足虫与豪猪

Porcospino Flex的设计哲学，体现了仿生学的魅力。

它的运动方式，借鉴了千足虫。千足虫拥有分节的身体，通过节段间的协同收缩与伸展，产生波浪式的运动，从而在各种复杂表面上高效移动。Porcospino Flex同样采用了分节、柔性的身体结构，使其能够像千足虫一样扭动身体，适应地形的起伏。

而它的另一个灵感来源——豪猪，则赋予了它独特的“皮肤”。豪猪满身的尖刺是其强大的防御武器，同时也影响了它谨慎而稳健的移动方式。Porcospino Flex的履带上布满了弹性的“刺”，这些刺在机器人攀爬障碍物时，能够提供额外的抓地力，就像豪猪的刺一样，帮助它稳固地“抓住”地面。

整个机器人长670毫米，宽165毫米，高145毫米，其最引人注目的创新，无疑是它的“脊柱”——一根由超材料结构（meta-material structure）设计的、连续统一的柔性体。

与前代版本由多个独立椎骨和柔性关节连接的方式不同，Porcospino Flex的脊柱是一整个通过3D打印一体成型的部件。这根脊柱由16个节段组成，节段之间设计有15个8度的凹槽。这些凹槽的存在，使得整个脊柱可以在水平方向（偏航角）上实现最大120度的弯曲。

这种设计带来了巨大的好处。当机器人需要转向时，它不再需要复杂的转向关节，只需通过拉动一侧的缆绳，就能让整个身体自然弯曲，以极低的能耗完成转向。同时，这根脊柱在垂直（俯仰）和扭转（翻滚）方向上也具有被动顺应性，意味着当它遇到地面上的凸起或沟壑时，身体可以像真正的蛇或虫一样，自动贴合地形轮廓，而无需复杂的传感器和控制算法进行干预。

研究团队为这根脊柱选择了一种名为TPU 95A的热塑性聚氨酯材料，它兼具弹性和耐用性。而为了保证承载电池、电机驱动器和控制单元的中央部分有足够的刚性，团队在设计晶格结构时进行了精心的优化，通过反复试验，最终找到了刚性与柔性的最佳平衡点。

▍3D打印一体成型，体重直降600克

Porcospino Flex的诞生，离不开增材制造（3D打印）技术的深度赋能。

相比于其前身Porcospino，新版本的核心优势在于制造工艺的简化和整体性能的飞跃。

旧版本的脊柱由40个独立的打印件组成，需要繁琐的人工组装，不仅耗时耗力，而且大量的连接点也容易成为应力集中和潜在的故障源。而Porcospino Flex的脊柱则是一个连续的整体，通过FDM（熔融沉积成型）技术一次性打印出来。这带来的好处是立竿见影的：

首先是显著的减重。通过采用晶格化的超材料结构和一体化设计，新机器人的总重量从原来的4200克成功降至3600克，足足减轻了600克。对于一个移动机器人而言，更轻的体重意味着更高的敏捷性、更快的速度和更低的能耗。

其次是生产效率和成本的优化。一体化的设计大大减少了组装环节，缩短了生产周期，降低了制造成本。这使得Porcospino Flex更具快速迭代和推广应用的潜力。

最后是结构强度的提升。新设计用柔性的TPU材料取代了旧版本中部分刚性的ABS材料，并消除了螺栓连接点，使得整个结构在受到冲击时，应力可以更均匀地分散，抗冲击能力更强，大大降低了在复杂环境中因碰撞导致损坏的风险。

为了验证这个创新设计的可靠性，研究团队还利用有限元建模（FEM）对脊柱进行了详细的力学分析。他们在模拟中对脊柱施加了不同的拉力（4N、5N、6N），以模拟转向时缆绳的作用。

分析结果显示，应力主要集中在凹槽附近的狭窄区域，这与预期相符。最重要的是，即使在最大形变下，其最大应力值也远低于TPU材料的断裂强度（23.7 MPa），充分证明了该设计的结构可靠性。

▍能耗降低15%，轻松征服复杂地形

理论设计和模拟分析的成功，最终要通过实际测试来检验。研究团队制作了完整的Porcospino Flex原型机，并进行了一系列实验。

[完整脊柱原型的最大偏航弯曲（左）和最大俯仰弯曲（右）]

[完整脊柱原型（红色部分为TPU，白色部分为ABS）：左图为最大偏航弯曲状态，右图为最大俯仰弯曲状态。]

在测试中，Porcospino Flex展现出了超乎预期的性能。

得益于体重的减轻和结构的优化，它的功耗相比前代版本出现了明显下降，从2.134瓦降至1.830瓦，降幅高达15%。这意味着在同等电池容量下，它的续航能力得到了有效提升。同时，尽管重量变轻，但由于电机特性，其加速度保持稳定（0.131 m/s²），确保了运动的平稳可控。

更厉害的是它的地形适应能力。

在室内测试中，Porcospino Flex轻松挑战了一个70毫米高的方形台阶。在攀爬的初始阶段，履带上的“尖刺”牢牢抓住了台阶边缘；随后，它柔性的脊柱开始发挥作用，被动地向上弯曲，使整个身体顺利地“翻”上台阶。整个过程一气呵成，充分展示了其被动顺应性和抓地力的结合。

在户外，它同样表现出色。无论是在长满青草的不平坦地面上进行转向测试，还是在沥青路面上攀爬70毫米高的人行道边缘，Porcospino Flex都成功完成了任务。特别是在草地上，转向是对机器人牵引力和机动性的双重考验，而Porcospino Flex凭借其独特的设计，证明了自己强大的环境适应性。

这些实验结果有力地证明，Porcospino Flex的设计是成功的。它不仅继承了前代产品的优点，更通过引入一体化的柔性超材料脊柱，在重量、能耗、机动性、耐用性和生产效率等多个维度上实现了重大突破。

总而言之，Porcospino Flex项目为我们展示了仿生学、超材料设计和3D打印技术相结合在机器人领域应用的巨大潜力。它更轻、更高效、更坚固，也更具可持续性（材料用量减少）。

未来，这种轻巧而灵活的机器人有望在搜救、工业巡检、农业和环境监测等领域大放异彩。它就像一个不知疲倦的“机械生物”，能够深入那些对人类或其他传统机器人而言过于危险或狭窄的禁区，为我们带回宝贵的信息。

参考链接：https://www.mdpi.com/2218-6581/13/5/76