北京
机器人设计师常常从动物的运动中寻找灵感。这台机器的运动方式与青蛙相似。
在陆地上，它用两条柔性的后肢跳过草地、沙地和小台阶。给同样的肢体装上桨叶，它就能入水游动。
密歇根大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了这款手掌大小的机器人，以研究柔性结构如何让小型机器在没有大型电机的情况下实现强有力的运动。
他们找到了一种方法，可以控制弹性肢体何时储存能量并突然释放能量，从而将小型电机的稳定运动转化为爆发式跳跃。
“通常，使用传统电机时，我们得到的是相对稳定的运动，就像车轮匀速转动，”加州大学洛杉矶分校机械与航空航天工程师 M. 哈立德·贾韦德告诉我们。
“但有些情况下，机器人需要突然爆发一股动力，例如跳过障碍物或穿过泥泞地形。”
这项研究始于一个简单的问题：当一根弯曲的柔性杆的两端被扭转时，会发生什么？
有时杆会逐渐改变形状。在其他条件下，它会先储存能量，然后突然弹变成另一种形态。
挑战在于预测这种突然转变会在何时发生。
该团队结合数学模型、计算机模拟和机器人实验，梳理出在哪些条件下会发生逐渐弯曲或突然弹变。随后，他们设计了螺旋状弹性肢体，能够可靠地储存能量，并以短暂而强劲的爆发形式释放能量。
小型电机使机器人上两根弯曲杆的端部旋转。当每根杆被缓慢弯曲和扭转时，它会积累弹性能量。一旦达到临界点，它就会弹变成另一种形状并击打地面，将机器人向前弹射。随后电机反转，使肢体复位，为下一次跳跃做准备。
“因此，小型电机可以产生比它直接驱动时强得多的爆发式运动，”贾韦德说。
“在弹变过程中，我们获得的机械功率远超电机在那一瞬间所提供的功率。”
这款无缆原型机自带电池和控制电子设备，实测质量为 98.2 克。
在实验中，它能够在木材、布料、亚克力、皮革、草地和沙地上持续跳跃，最高速度达到每秒 3.21 个体长。
研究人员还制造了一个几乎相同的刚性腿机器人。他们使用相同的核心部件和测试，分离出了弹性肢体的贡献。
柔性腿机器人的平均速度为每秒 2.46 个体长，而刚性版本为 0.79。这种差异在柔软布料和草地上尤其显著，刚性腿机器人几乎无法前进。
该机器人还能快速转向、连续后空翻，并在小台阶上上下跳跃。在遥控下，它沿着一条穿过散布着小石块的户外沙地的路径行进。在简单的自主演示中，机载光传感器还让它能够朝光源方向转向。
接着是它最引人注目的变身。
研究人员对平台做了防水处理，并在其环形肢体上安装了桨叶。机器人跳入水中，以约每秒半个体长的速度游动。据贾韦德说，它还在带有水下障碍物和风的户外泳池中接受了测试。
然而，游泳系统并未经过专门优化。
贾韦德强调，这台机器仍是一个研究原型。它的输出是爆发式的，而不是连续变化的，而且每个弹性肢体在弹变后都必须复位。弹变和复位还必须与机器人的运动及其与周围环境的相互作用在时间上协调。
这种方法最终可能让机器人在需要越过障碍物或穿过泥泞地面时获得爆发式动力。
“一般来说，我们可以利用这种机制让机器人完成高功率机动，而不需要大型电机，”贾韦德说。
随着机器人缩小，这一原理可能会变得特别有用。微型机器没有多少空间容纳沉重的电机和复杂的传动装置，但仍需要足够的动力来克服障碍或摆脱松软地形。
由于弹变由结构形状而非单纯尺寸决定，研究人员认为这些设计规则可能在不同尺度上都适用，甚至可能包括仅几毫米宽的机器人。
这款原型机还不是全地形两栖探索机器人。其爆发式运动、复位周期、时序要求以及未经优化的游泳性能，都仍有开发空间。
即便如此，它展示了一个引人注目的设计理念：与其要求电机直接提供每一次强有力的运动，工程师可以让机器人结构储存能量，并在恰到好处的时刻释放它。
对于一台小到能消失在高草中的机器来说，这种时机精准的弹变可能意味着是被困住还是跳走。
它甚至能把一次跳跃变成一次游泳。
该研究发表在《科学进展》（Science Advances）上。
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