近日，耶鲁（lǔ）大（dà）学Rebecca Kramer-Bottiglio教授课题组从陆（lù）生和水生乌龟身上得到的灵（líng）感（gǎn），运用了"适应性形态发生"的（de）设计策略，建造了一个机器人，它融（róng）合了传（chuán）统（tǒng）的刚性（xìng）部件和（hé）软（ruǎn）性（xìng）材料，从根本（běn）上增强了其四（sì）肢的形状，并为（wéi）多环境的（de）运（yùn）动改（gǎi）变了其步态。步态、肢（zhī）体（tǐ）形状和环境介质（zhì）的相互（hù）作用（yòng）证实了控制机器人（rén）运（yùn）输成本（běn）的重要（yào）参数。结果证（zhèng）明，自（zì）适应（yīng）形（xíng）态（tài）发生是提高（gāo）移动机器人（rén）遇到非（fēi）结构化、不断变化的环（huán）境的效率的（de）有（yǒu）力方（fāng）法。相（xiàng）关成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题发表在最新一期Nature上，并作为（wéi）Nature封面。

作者（zhě）认为（wéi），一个（gè）机（jī）器人可以通过（guò）"适应性形态发（fā）生"来实（shí）现跨环（huán）境（jìng）运动的专业化（huà）：通过统（tǒng）一的结构和驱动系统来实现（xiàn）适（shì）应性（xìng）形态和行（háng）为。为（wéi）此（cǐ），作者合并（bìng）了水生和陆生运动的专门形态特（tè）征创造了（le）两（liǎng）栖（qī）机器人龟（ART）（图1a）。通过一个单一的类似乌（wū）龟的身体（tǐ）计划，ART通过（guò）刺激（jī）响应的软材料和传统（tǒng）的机器（qì）人组件的结合，采用了自适应（yīng）的形态发（fā）生（shēng）。使用可变刚（gāng）度的复合材料（图1b），在一系列步（bù）态的配合下，ART能够在（zài）水下游泳，在水面上游泳，在各种基质上运动，以及在（zài）陆地和水之（zhī）间过渡。

图1：海龟启发的两（liǎng）栖机器人

 

ART的身体（tǐ）有（yǒu）一（yī）个（gè）变（biàn）形肢体，能够（gòu）根据环境调整其硬度和形状，完全集成到机器人（rén）结构中，以获得测（cè）试的效（xiào）率（lǜ）。身体包括（kuò）四个子系统：底盘、外壳、肩关节和变形肢体。底（dǐ）盘容纳电子（zǐ）元件，外壳提供流线（xiàn）型、用（yòng）于浮力调（diào）整的压（yā）载（zǎi）空间、有效载荷存储和保护。肩（jiān）部关节在运动学配置中各（gè）有（yǒu）三个马（mǎ）达，以实（shí）现一系列（liè）的（de）步（bù）态（图1c）。由一对拮据的（de）气动（dòng）执（zhí）行器组成（chéng）的变（biàn）形肢体与粘（zhān）附在热固性聚合物上的应变限制层（céng）连接（jiē）到每个肩关节。通过嵌入的加热器加热热固性材料使其软化，并（bìng）给气动推杆充气，使（shǐ）肢体的横截面积（jī）和硬度发（fā）生变化。这些变化（huà）使ART的肢体（tǐ）能够在有利于行走的圆柱形几何形状和有利于游泳的平鳍几何形状（zhuàng）之（zhī）间（jiān）进行适应性变（biàn）形。在（zài）水中测试时，ART的浮力可调整（zhěng）为表面和水下游泳（图2a）。随着四肢（zhī）变形（xíng）为脚蹼模（mó）式，作者研究了划水和拍打运动。划水步态是（shì）一个相对于机（jī）器（qì）人身体向后的划（huá）水动作，随后是一个向（xiàng）前和向（xiàng）背的羽（yǔ）化恢复动作。拍打步态的特（tè）点（diǎn）是由连续的上冲和下冲组成的垂直运动轮（lún）廓。通过将ART固定在一个多轴负荷传感器上获（huò）得的向（xiàng）前（Fx）和向上（Fz）的（de）方向力，阐明了划水和最佳拍打步态之间的COT差异（图2c，d）。Fx的（de）图表表明，在（zài）划（huá）水步（bù）态的恢复部（bù）分产（chǎn）生了（le）反作用力，导致（zhì）ART明显减速或向后移（yí）动（图2c）。只有27%的划（huá）水动作构成了（le）生产性推力。在拍打步态的下冲过程中（zhōng），ART也会减速，但（dàn）在95%的（de）冲程（chéng）中保持有成效的Fx推力（lì）（图2d）。

 

接着作者在瓷片、混凝（níng）土和花岗岩（yán）为代（dài）表（biǎo）室外城市环境（jìng）的基质上评估了陆地（dì）运动策（cè）略。作者实施了一种（zhǒng）静态稳定的（de）爬行（háng）步态，当爬（pá）行时，ART每次只有一（yī）个肢体离开地面，同时逐步转动其身（shēn）体向前（qián）移动（图3a,b）。ART的左后肢（zhī）远端在不（bú）同基（jī）质（zhì）上匍匐前进时（shí）的三（sān）维运动捕捉显示了一致（zhì）的扫动轨迹和步长，验证了该步态的有效性（图3c）。同时（shí）运动（dòng）捕捉数据也帮（bāng）助解释不同基质的COT差异（yì）。Z轴数据投影（z*）包含（1）当（dāng）ART摆（bǎi）动（dòng）腿部进行踏步阶（jiē）段（duàn）时的急剧增加），以及（2）与地形相互作用相应（yīng）的振动特征（图3d）。z轴数据在（zài）步态周期（qī）中的漂（piāo）移表明ART行走时腿部（bù）逐渐伸展（zhǎn）或收拢。作者计算了（le）z轴数据与理想的、完（wán）全稳（wěn）定的轨迹（z）的偏差，在这个（gè）过程（chéng）中，ART的肢体将（jiāng）完全与地面接触，COT和（hé）S之间（jiān）的（de）正相关（guān）关系强调（diào）了（le）与基体保持无滑移接（jiē）触的重要性（图3e），与基体有关的滑移可（kě）归因于摩擦和地形特（tè）征。

 

作者选择了（le）类似于海滩（tān）海龟运动的爬行步态作为（wéi）在过渡基质上的运动方式。当爬行时，ART躺（tǎng）在腹部，同时利用前后肢（zhī）体串联，略微向（xiàng）上抬起，并向（xiàng）后推（tuī），以实现向前推进（图4a、b）。爬行可以分散机器人（rén）的重（chóng）量（liàng），减（jiǎn）轻（qīng）灾（zāi）难性（xìng）的（de）滑行，并防止在运动过程中被困住。通过爬行，ART能够成功（gōng）穿越两种过渡地形，其COT值比在陆地上（shàng）爬行时高出（chū）140%。作者还做（zuò）了基质和ART的组成（chéng）材料之（zhī）间（jiān）进行了摩擦试验，以（yǐ）解释爬（pá）行时的COT升高（gāo）。结果显示，外壳的COT与静态摩擦系数（shù）（μ）之间呈正相关，而肢体材料的COT与μ之间呈负相关（图4c），这表明（míng）支配COT的主要力学因素是（shì）ART的甲壳（ké）沿基质（zhì）的滑动（dòng）。

 

作者将ART在水中、陆地上（图（tú）5a,b）和过渡基质上（shàng）的（de）运（yùn）动策略结合起来，创造了一（yī）个从陆地到水生的过渡路（lù）线（图5c）。过（guò）渡地点由一个（gè）海洋入口组成，那里有（yǒu）坚硬的鹅卵石（shí）土壤，流（liú）向潮湿（shī）的沙质区域，然（rán）后变成布满岩石和植物的浅滩。ART使用腿部模（mó）式（shì）和匍（pú）匐前进（jìn）的方式来穿（chuān）越坚硬（yìng）的土（tǔ）壤部分。当ART接近水面时，基质变（biàn）得更（gèng）加（jiā）饱（bǎo）和，它开始（shǐ）爬行，以（yǐ）确保（bǎo）稳定性，防止直立步态的集中点负荷深入到基质（zhì）中。ART并没有在开阔的水（shuǐ）面上走很远，在变形之前，它把四肢抬出水面。当它在浅水区（qū）仅部分被淹没时，它依靠划水来游泳。ART记录了它在（zài）运输过程（chéng）中的环境，对其（qí）周围环境造（zào）成的破坏很小。ART的最小COT性能与许多陆生和水生动物和机器人（rén）的性能进行了比较（jiào）（图5d）。由于专门针（zhēn）对多种环境，ART的表现与最（zuì）先进的（de）单模态（tài）水生或陆生机器人相近，在某些（xiē）情况下甚（shèn）至超过了后者。最（zuì）重要（yào）的（de）是，ART可以在非结构化的环境中过渡，同时保持与单模态机器人相当或更（gèng）好的性能（néng）。

 

小结：在非结构化的动态环境中（zhōng），例如（rú）陆地（dì）到水的（de）过渡，作者（zhě）发现（xiàn）将身体形状（zhuàng）和行为视为可以调（diào）整的变量（liàng）的机器（qì）人设计（jì）可（kě）以提高（gāo）效率。更广泛的含义是，未来的机器（qì）人可以使用自适（shì）应（yīng）形态发生来专业化，而不仅（jǐn）仅是一个环境，而是多个环境。