机器人专家在追求更优推进方式的过程中，从马、昆虫以及无数其他动物身上汲取了灵感。如今，青蛙也加入了这一名单。一个研究团队展示了一款手掌大小的机器人，它借鉴了两栖动物突然有力跳跃的本领，采用一种围绕弯曲弹性杆从一种形态突弹到另一种形态的机制。
这项研究于9月18日发表在《科学进展》期刊上，探讨了扭转和弯曲柔性杆如何储存能量，然后在瞬间释放——这种“突弹运动”让小型机器能够向前弹射或推动自己穿过水中。研究人员还制作了一个可运行的原型来展示这一构想。
为什么青蛙适合做机器人灵感来源
青蛙是异常高效的跳跃者。它们并不依赖巨大的肌肉来跳跃，而是利用肌腱中储存的弹性能量，迅速释放以逃离捕食者或跃过池塘。这种生物技巧对工程师很有吸引力，因为它绕开了小型机器人面临的一个根本限制：机器越小，就越难装入强大的电机以及控制它们所需的电子设备。
该研究的作者认为，仿生突弹机制可能开辟一条中间道路。他们提出，与其将电机做得更大，不如构建自身物理结构就能承担部分运动工作的机器人——这一策略可能有利于电力预算紧张的机器，或那些必须穿越不平地面甚至水面的机器。
突弹杆的工作原理
设计的核心是一根柔性杆。当杆被弯曲成弧形并旋转其两端时，材料内部会积聚张力。最终，杆达到一个阈值，翻转成新的构型，在几分之一秒内释放积累的能量。
使该系统有趣——且难以工程化——的是，这种转变并非完全可预测。根据弯曲和扭转组合方式的不同，杆可以以不止一种方式释放其储存的能量。研究人员探究了这些组合，以了解哪些构型能产生可靠、可重复的突弹，从而可用作跳跃。
实际上，这根杆兼具机械弹簧和触发器的功能。通过编程设定能量储存和释放的时机，机器人就能获得急剧而有力的运动，而无需让电机持续输出高功率。
手掌大小的原型
为了演示这一概念，团队组装了一台紧凑机器，其尺寸更接近玩具而非传统机器人。该研究和原型的关键数据包括：
- 重量：约3.4盎司，与一副扑克牌大致相同。
- 尺寸：小到可以放在手掌中。
- 速度：约每秒三个体长，通过一系列短跳实现。
- 能力：在湿滑表面跳跃、游泳，并通过障碍赛道。
障碍赛道演示值得注意，因为它测试了机器人在受控实验室环境之外的表现。一台能够跳跃、着陆、重新定向并继续移动的机器，必须应对不可预测性——光滑地面、障碍物，以及从干燥地形到水中的转换——依靠简单的机械动作组合，而非复杂的机载计算。
让机械结构承担工作
密歇根大学机器人学助理教授、该研究共同第一作者黄晓楠（Sean）将该项目描述为一种在硬件和控制软件之间重新分配工作量的方式。他在一份声明中表示，更广泛的机会在于让机器人的机械结构承担部分原本需要更大电机或更复杂控制系统才能完成的工作。
黄晓楠解释说，通过编程设定弹性结构何时储存能量、何时迅速释放，工程师可以让小型机器人获得强大且可重复的运动，而无需不断将电机推向极限。这一表述指向了机器人研究的一个更大趋势：设计师不再增加更多执行器和计算能力，而是寻找将智能和能力直接构建到机器身体中的方法。
跳跃、游泳机器人可能的应用场景
研究人员描述了若干场景，小型、节能且具备水陆两栖能力的机器可能在这些场景中派上用场：
- 轮式和履带式机器难以应对的杂乱地形，如瓦砾或茂密植被。
- 需要快速避障或突然重新定向的环境。
- 跨越陆地和水域的任务，单一运动策略不足以应对。
- 电池容量或电机输出因尺寸而严重受限的部署场景。
黄晓楠指出，这一原理最终可能支持那些必须在杂乱、布满障碍的地面上导航、克服障碍、快速转身，或在陆地和水生环境中都能运行的机器人。这种敏捷性与效率的结合，正是青蛙在自然界中成为如此高效的多面手的原因。
下一步是什么
这项研究是概念验证，而非成品。突弹机制本质上难以精确控制，而弯曲和扭转的杆并不总是以相同方式释放能量，这对希望构建可靠步态的工程师来说既是机遇也是挑战。
尽管如此，原型机的性能——在湿滑地面和水中约每秒三个体长——表明该方法仍有发展空间。随着研究人员更深入地绘制弯曲、扭转和突弹之间的关系，他们或许能够设计出按需提供特定、可重复跳跃的弹性结构。如果实现这一点，不起眼的青蛙最终可能塑造一代小型机器人，让它们跳到更大机器无法跟随的地方。
本文基于Live Science的报道。阅读原文。
Originally published on livescience.com