打破生物學限制，0.3米高的機器人能跳33米，這項研究今天登上Nature

機器之心報道

編輯：蛋醬、澤南

NASA：火星飛無人直升機，月球要用跳蚤機器人。

在過去十年左右的時間裡，人們已經看到了各種各樣的跳躍機器人。除了極少數的產品之外，這些機器人都是藉助生物學來啟發自身的設計和功能。

這是有道理的，因為自然界充滿了各種神奇的跳躍類動物，將它們的能力與機器人相匹配似乎是一個合理的追求。以螞蟻、青蛙、鳥類和嬰猴為例，機器人已經嘗試過模仿了這些動物的動作，且偶爾以某些特定方式模仿成功了。

對於來自加州大學聖巴巴拉分校和迪士尼研究中心的機器人研究者來說，這引出了一個簡單的問題：如果你要製造一個專注於跳得儘可能高的機器人，它到底能跳多高？

在最近發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，他們用一個可以跳到 33 米高的機器人回答了這個問題，這個機器人可以跳到自由女神像上的眼睛水平線的高度。

論文連結：https：//www。nature。com/articles/s41586-022-04606-3

如下影片裡的表現，它並不完美，但仍然稱得上是不錯的跳躍機器人，包括自行起跳、著陸、自動復原，然後再次起跳。

這款跳躍機器人大概 30 釐米高，重約 30 克，對於這類機器人來說還是比較重的。它幾乎完全由充當彈簧的碳纖維弓和蓄力的橡皮筋製成。機器人的中心包括一個電機、電池和一個連線機器人頂部與底部的繩索的閂鎖裝置。

為了準備起跳，機器人開始旋轉它的馬達，在 2 分鐘的過程中，它會將繩索捲起來，將機器人壓扁並逐漸蓄力。一旦繩索完全上緊，電機的另一次拉力會使閂鎖裝置跳閘，從而鬆開繩索並在大約 9 毫秒內釋放所有力，在此期間，機器人從 0 加速到 28 m/s。總而言之，該機器人的比能量超過每公斤 1000 焦耳，這足以推動它比最好的跳躍生物高出一個數量級，並且可以輕鬆地將現有任何其他跳躍機器人的高度提高三倍。

慢動作特寫如下：

之所以能夠跳得這麼高，是因為這款機器人依賴於一種在生物學中找不到的工程技術：旋轉馬達。

使用旋轉電機和一些連線到彈簧的齒輪，可以在相對較長的時間內使用相對較少的功率來儲存電機旋轉時的大量能量。動物無法使用旋轉馬達，即使它們可以將肌腱作為「彈簧」，但這種彈簧可以為跳躍供能的能力是受限的，取決於肌肉單次發力的衝程。生物跳躍之中表現最好的是嬰猴，相對於它們的體重來說，它們擁有最發達的跳躍肌肉，但是仍然會限制動物能夠跳多高。

此前，許多機器人已經將旋轉電機和彈簧結合起來進行跳躍，但本文研究者認為，設計跳躍機器人的最佳方法是顛覆生物學：與其透過更大的馬達獲得更高的跳躍幅度，不如在使用盡可能多的技巧的同時儘量用小功率馬達。

以往研究人員模擬了生物跳躍的肌肉與肌腱的比例，並發現最佳效能來自肌腱質量約 30 倍的肌肉。但是對於工程跳躍，這篇論文表明這個質量比是可以反轉的，比如該跳躍機器人的彈簧是電機質量的 1。2 倍。

「我們太依賴動物模型了，」論文作者之一 Morgan Pope 表示，「所以我們一直在跳幾米高，而我們其實可以跳幾十米高。」

一系列高速影象展示機器人釋放了彈簧中的張力並跳躍。

「第一次看到我們的機器人跳起來，有一種神奇的觀感，」加州大學聖巴巴拉分校的論文第一作者 Elliot Hawkes 說道。我們從一個更像彈簧棒的設計開始，然後是弓形設計，然後是混合彈簧設計，將橡皮筋和弓形結合在一起。我們花費了無數時間用於解決各種具有挑戰性的機械問題，從齒輪箱齒剪下到鉸鏈斷裂，再到碳纖維彈簧爆炸。每一次新的迭代都同樣令人興奮——最近一次跳躍超過 30 米，當你親眼看到它起飛時，它會讓你大吃一驚。這麼小的裝置裡藏著如此大的能量！」

自由女神像的眼睛高度顯然仍不是極限，想讓機器人跳得更高可能需要使用一個更有彈性的彈簧，來最大化機器人儲存的能量，同時不增加其質量。「我們使用混合拉壓彈簧將能量儲存推到了更高水平，」Hawkes 表示。「但我相信彈簧設計可能會進一步推動這一點。我們現在的能量約為每公斤 2000 焦耳。

看到這個機器人近乎瘋狂的跳躍高度，我們很難不去想象為什麼不多看看自然界的其他生物，設計出更多仿生機器，但在這裡需要關注的問題是，仿生機器人並不是生物機體。「我們製造了一種非常專業的裝置，它可以很好地完成一件事，」Hawkes 說。「它偶爾會跳得很高。生物跳躍在許多其他方面做得更好，而且更魯棒。」

不過，即使是當前版本的跳躍機器人也確實可以自我糾正、重複跳躍並攜帶像相機一樣的小型有效載荷。

研究人員認為，這種機動性和效率的結合可能使其成為探索外星球的理想選擇，在那裡跳躍的活動形式能讓你走得更遠。例如，在月球上，由於重力較低且沒有大氣阻力，這個機器人每次跳躍可以跑半公里。

「我們目前展望最多的應用是太空探索，」Hawkes 表示。「月球是一個真正理想的跳躍地點，它為探索開闢了新的可能性，因為它可以克服具有挑戰性的地形。例如，機器人可以跳到難以接近的懸崖邊或隕石坑底部採集樣本，然後返回輪式漫遊車。」他和他的團隊目前正在與 NASA 合作開發這個系統，目標是在未來五年內發射到月球。

參考內容：

https：//spectrum。ieee。org/record-breaking-jumping-robot

https：//www。nature。com/articles/s41586-022-04606-3 THE END

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原標題：《打破生物學限制，0。3米高的機器人能跳33米，這項研究今天登上Nature》