Science子刊重磅！无腿机器人能跳能游还能负重，颠覆两栖设计

机器人界又出狠角色了！

这次不是模仿壁虎的吸盘脚，也不是模仿猎豹的弹簧腿，而是一个完全没有腿的机器人，却能在沙地上狂奔、在水里灵活转向，甚至扛起40倍于自重的重物。

近日，国际权威期刊《Science Advances》发表了一项令人眼前一亮的成果：来自哈工大研究团队成功研制出纯惯性驱动的两栖机器人Leglessbot（无腿机器人）。

它没有传统意义上的运动部件，没有外露的齿轮、连杆、螺旋桨，却实现了跳跃、奔跑、游泳的全能表现。

划重点：全密封刚性外壳+单一驱动器+零外露运动部件。

这意味着什么？意味着厘米级机器人在恶劣环境下的生存能力，可能要被重新重新定义了。

01.

从提线木偶到一机多用：惯性驱动还能这么玩

先来说个常识：绝大多数机器人想动起来，得有腿、轮子、履带或者螺旋桨。这些东西在水里怕漏电，在沙里怕卡死，在小尺度下更难密封防水。

Leglessbot的思路彻底另类。

它把运动部件全部藏进身体里，靠内部磁铁的快速撞击和振动，让整个外壳动起来。这就是“惯性驱动”：你坐在车里猛地往前一撞，车就会往后移一点，Leglessbot就是靠这个原理在沙地上撞出前进路线。

但你肯定会问：光靠内部震动，怎么能既跳又游还转向？

这就是研究团队最狠的操作。他们设计了一款可变输出音圈电机（VCM）。这台小马达通过改变电流换向时机，可以切换出三种截然不同的工作模式：

跳跃模式：磁铁走满整个行程，猛撞外壳顶部，把整个机器人弹离地面，最高能跳17毫米（约0.5倍自身高度）。

全行程振动模式：磁铁来回猛冲，机器人在地面上“蹦跶”前进，在干沙上能达到1.4倍体长每秒的速度，比绝大多数同尺寸自给式机器人还快。

小行程振动模式：磁铁只振动几毫米但频率拉满（最高90Hz），机器人开始高频振动，这时候如果把它放进水里，配合被动鳍片，就能游泳。

一个驱动器，三种完全不同的运动模式，从跳跃到奔跑再到游泳无缝切换，这就是所谓的“惯性驱动多模态运动”。

02.

没有腿却能在沙地狂奔：原理靠“蹦”

常规机器人最怕什么？沙子！

轮子会陷进去，腿会拔不出来，电机进灰直接报废。但Leglessbot反而在沙地上跑得最欢，速度达到78毫米/秒，比平地上的41.6毫米/秒还快。

为啥？因为它在全行程振动模式下，每次磁铁撞击外壳都会让整个机器人微微离地（约5毫米），像一只不断小跳的袋鼠。刚落地还没来得及陷进沙子，下一跳又起来了，完美规避了颗粒介质的“流变学陷阱”。

更厉害的是，这种“弹跳式前进”让机器人拥有了变态的负载能力。实验数据显示，它拖着960克的配重（约40倍体重）照样能往前走，甚至被5公斤的重物压住（208倍体重），照样能挣扎脱身。放在野外环境下，这种抗压能力堪称生存利器。

研究团队还给Leglessbot装了一套不倒翁式的重心设计。连续跳跃测试中，它始终保持直立，不会翻车，可以在沙堆、石子堆里一路蹦出来，脱困能力拉满。

03.

没螺旋桨怎么游泳：被动鳍片发力

如果说陆地运动靠“撞”，那水里怎么动？

Leglessbot外壳两侧装了六片软质被动倾斜鳍片。没有电机驱动，没有关节控制，纯靠机器人本体的高频振动带动鳍片拨水。

关键是左右鳍片的长度还不一样：左边长20毫米，右边长17.5毫米。

当VCM进入小行程振动模式（30-60Hz），机器人开始在水里“哆嗦”，鳍片随之被动摆动。流体力学计算和高速粒子图像测速（PIV）显示，每个振动周期内，鳍片向后拨水产生的推力略大于向前回摆的阻力，从而实现整体向前运动。

那怎么转向？

靠共振频率错位！长鳍和短鳍的固有频率不同，对振动频率的响应也不同。实验发现：30Hz时左侧长鳍推力占优，机器人右转；40Hz时右侧短鳍占优，机器人左转；35Hz时两侧推力相等，直行。最小转弯半径只有5.6毫米，灵活得像个水上芭蕾选手。

这就实现了所谓的“惯性驱动多方向推进”，即一个驱动器，靠调频率就能控制平面内的任意方向游泳。

04.

流体力学硬核拆解：为啥鳍片能产生净推力？

研究团队用计算流体力学把整个过程扒了个底朝天。

关键发现：在每个振动周期里，鳍片向后拨水时，由于倾斜安装角度和水的阻力，鳍片会张开，兜住更多水，产生较大推力；向前回摆时，鳍片收缩，阻力小得多。一伸一缩之间，推力差就累积成了净前进动量。

更细的机理是：在向后拨水的行程阶段，鳍片根部产生高压区（最高1580帕），形成强力涡流，动量贡献达到+5.14毫牛·秒；而在静止间歇的静态阶段，鳍片只是弹性回摆，产生的正负推力基本互相抵消，净动量贡献仅0.15毫牛·秒。也就是说，几乎全部的推进力都来自行程阶段。

而PIV拍摄的流场显示，鳍片周围形成的“伪涡旋”其实是环形流动的集合体，和鱼尾产生的卡门涡街完全两码事——证明这是一种全新的流体推进原理。

05.

未来可期：从全密封到深海潜行

Leglessbot最大的意义可能不在于它能跑多快、跳多高，而在于它证明了一条新路：全密封刚性外壳+惯性驱动，可以让厘米级机器人同时具备陆地机动性和水下航行能力。

传统的动态密封在厘米尺度几乎无解，O型圈一装摩擦力就大到电机带不动。Leglessbot把运动部件全藏进壳里，外壳一体成型，防水等级直接拉满。理论上，这套方案可以轻松扩展到深潜应用，毕竟它连动态密封都不需要。

研究团队还在壳上装了微型摄像头，演示了“搜索救援”场景：被石头砸中后自己蹦出来，发现一个乐高“幸存者”，然后推开90克的障碍物清理出救援通道。虽然速度和效率还有优化空间，但思路已经非常清晰。

当然，目前的原型机还有短板：电池续航在跳跃模式下约28分钟，小行程振动只有11分钟，比螺旋桨船低不少......原因是惯性驱动的能量效率天然较低。团队下一步计划研究能效优化和自适应结构设计，让机器人在真实野外环境更持久。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2222