近日，耶（yē）鲁大学（xué）Rebecca Kramer-Bottiglio教授课题组从（cóng）陆（lù）生和水生乌龟身上得到的（de）灵感，运用了"适应（yīng）性形态发生"的设计策略，建造了一个机（jī）器（qì）人，它融合了（le）传统的刚性部件和（hé）软性材料，从根（gēn）本上增强了其四肢的形状，并为（wéi）多（duō）环境（jìng）的（de）运动改变了（le）其（qí）步态。步态、肢（zhī）体形（xíng）状和环境介质的相互作用证实（shí）了控（kòng）制机器人运输成本的重要参（cān）数。结（jié）果证（zhèng）明，自适应形态发生是提高移动机器（qì）人遇到（dào）非结构化、不（bú）断变（biàn）化的环境的效率的有力（lì）方法。相关成（chéng）果（guǒ）以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题（tí）发表在最新一期Nature上，并作为Nature封面。

作者认为，一个机器人可以通过"适应性（xìng）形（xíng）态发生（shēng）"来实现跨环境运动的专（zhuān）业化：通过（guò）统一的结（jié）构和驱动（dòng）系统来实现适应性形态和（hé）行为。为此（cǐ），作者合并了水生和陆生运（yùn）动（dòng）的专门形（xíng）态特征创造（zào）了两栖机器人龟（ART）（图1a）。通过一个单（dān）一的类（lèi）似乌龟的身体计（jì）划，ART通（tōng）过刺激响应的软材料和传（chuán）统的机器人组件的（de）结合，采用（yòng）了自适应的形态发生。使（shǐ）用可变刚度的（de）复合材（cái）料（liào）（图1b），在一（yī）系列步态（tài）的配合下，ART能够在水下游泳，在（zài）水面上游泳，在各种基质上运动（dòng），以及在陆（lù）地和水之间过渡（dù）。

图1：海龟启发的两栖机器人

 

ART的身体有一个（gè）变（biàn）形肢体，能够根据环境调整其（qí）硬度和（hé）形状，完全集（jí）成（chéng）到机器人结构中，以（yǐ）获得测试的效（xiào）率（lǜ）。身体包括四个子系统：底盘、外（wài）壳、肩关节和变形肢体。底盘容纳电子元件，外壳（ké）提供流线型、用于浮力调整（zhěng）的压载空（kōng）间、有（yǒu）效载荷存储和保护。肩部关节在（zài）运动学配置（zhì）中（zhōng）各有三（sān）个马达，以实现一系列的步（bù）态（图1c）。由一（yī）对拮据的气动执行器组成（chéng）的变（biàn）形肢体与粘附在（zài）热固性聚合物上的应变限（xiàn）制（zhì）层连接到每个（gè）肩关节（jiē）。通过（guò）嵌入的加热器加热热（rè）固性材料使其（qí）软化，并给气（qì）动推杆充气，使肢体的横截面积和硬度发生变化。这些变（biàn）化使ART的（de）肢体（tǐ）能够（gòu）在有利于行（háng）走的圆柱（zhù）形几何形状和有（yǒu）利于游泳的平鳍几何形状之间（jiān）进行适应性变（biàn）形。在水中（zhōng）测试时，ART的浮力可调整为（wéi）表面和水下游泳（图（tú）2a）。随着四肢变形为（wéi）脚蹼模式，作者研究了划水（shuǐ）和拍打运动。划水步态（tài）是（shì）一个相对于（yú）机器人（rén）身体向后（hòu）的划水（shuǐ）动作，随（suí）后是一个（gè）向前和向背的羽化恢复动作。拍打（dǎ）步态的特点是由连续（xù）的上冲和下冲组成的垂直运动（dòng）轮（lún）廓。通过将ART固定在（zài）一个多轴负荷（hé）传（chuán）感器上获得的向前（Fx）和向上（shàng）（Fz）的方向力，阐明了划水和最佳拍打（dǎ）步态之间的COT差异（图（tú）2c，d）。Fx的图（tú）表表明，在划水步态的恢复部分产生了（le）反作用力（lì），导（dǎo）致ART明显减速或（huò）向后移动（图2c）。只有27%的（de）划水动作构成了生产性推力。在拍（pāi）打步态的下冲（chōng）过程中，ART也会减速（sù），但在95%的冲程中保持有成效的Fx推力（图2d）。

 

接着作（zuò）者在瓷片、混凝土和花岗岩为代（dài）表室（shì）外城市（shì）环境的基质上评（píng）估了陆（lù）地运动策略。作者实施（shī）了（le）一种静态稳定的爬行步态，当爬行时，ART每次只有一个肢体离开地面，同时逐（zhú）步转动其身（shēn）体向前移动（图3a,b）。ART的左后肢远端在不同基质上匍匐（fú）前进时（shí）的三（sān）维运动（dòng）捕捉显示了一致的（de）扫动轨迹（jì）和步（bù）长，验（yàn）证了该（gāi）步态的有效性（图3c）。同时运（yùn）动捕捉数据也帮助解释不同基质的COT差异。Z轴数据投影（z*）包含（1）当ART摆（bǎi）动腿部进行踏步（bù）阶（jiē）段时的急（jí）剧增加），以及（jí）（2）与地形相互作用相应（yīng）的（de）振动特征（图3d）。z轴数据在步态（tài）周期中的漂（piāo）移表明ART行走时腿部逐渐（jiàn）伸展（zhǎn）或收拢。作者计算了z轴（zhóu）数据与理想的、完全稳（wěn）定的（de）轨迹（z）的偏差（chà），在这个过（guò）程中，ART的肢体将完全（quán）与地面接触，COT和S之（zhī）间的正相关关系强调了与基体保持无滑移（yí）接触的（de）重要性（图3e），与基体有关的滑移可（kě）归因于摩擦（cā）和地形特（tè）征。

 

作者选择了类似于海滩海龟运（yùn）动的爬行步态作为在过（guò）渡基（jī）质上（shàng）的运（yùn）动方式。当爬行时，ART躺在（zài）腹部，同时（shí）利用前后（hòu）肢体（tǐ）串联，略（luè）微（wēi）向上（shàng）抬起，并向后推，以实现向前推进（图4a、b）。爬行（háng）可以分散机器人的重（chóng）量，减轻灾（zāi）难性的（de）滑行（háng），并防止在运动过程中被困（kùn）住。通过爬行（háng），ART能够成功穿越两种过渡地形，其（qí）COT值（zhí）比在陆地上爬行时高出140%。作者还做了（le）基（jī）质和ART的组成材（cái）料（liào）之间进行了摩擦试验，以解释爬行时的COT升高。结果显示，外壳的COT与静态摩擦（cā）系数（μ）之间呈正相关，而肢体（tǐ）材料的COT与μ之间呈（chéng）负相关（图4c），这表明支配COT的主要力学因素是ART的甲壳沿（yán）基质的（de）滑动。

 

作者（zhě）将ART在水（shuǐ）中、陆地（dì）上（shàng）（图5a,b）和过（guò）渡基质上的（de）运动策略结合（hé）起来（lái），创（chuàng）造了一个从陆地到水生的过渡路（lù）线（图5c）。过（guò）渡（dù）地（dì）点由一个（gè）海洋入（rù）口组成，那里（lǐ）有坚硬的鹅卵石土（tǔ）壤，流向潮（cháo）湿的沙（shā）质区域，然后变成布满岩石和植物的浅（qiǎn）滩。ART使用腿部模式和匍匐前进的（de）方式来穿越（yuè）坚硬的土（tǔ）壤部分（fèn）。当ART接近水面时，基质变得更加饱（bǎo）和（hé），它开始爬行，以（yǐ）确（què）保稳定性，防止直立步态的集（jí）中（zhōng）点负荷深入（rù）到基质中。ART并没有在开（kāi）阔的（de）水（shuǐ）面上（shàng）走很远，在变（biàn）形（xíng）之（zhī）前，它把四肢抬出水面。当它在浅水区仅部（bù）分被淹没时，它（tā）依靠划水（shuǐ）来游泳。ART记录了它在运输过程（chéng）中的环境，对（duì）其周（zhōu）围环境造成的破坏很小。ART的最（zuì）小（xiǎo）COT性能与许（xǔ）多陆生和水生（shēng）动物和机器（qì）人的性能（néng）进行了比较（jiào）（图5d）。由于专门针对多（duō）种环境（jìng），ART的表（biǎo）现与最（zuì）先进的单模态水生或陆生机器人相近，在某（mǒu）些情况下甚至超过了后者。最重要的是，ART可以在（zài）非结构化（huà）的环境中过渡，同时保持与单（dān）模态（tài）机器人（rén）相当或更好的性能。

 

小（xiǎo）结：在非结构化的动态环境（jìng）中，例如陆（lù）地到水的过渡（dù），作（zuò）者发现将身体形状和行为视（shì）为可以调（diào）整的变量的机（jī）器人（rén）设计可以（yǐ）提高效率。更广泛的含义是，未来的（de）机器人可以使（shǐ）用自适应（yīng）形态发生来专业化（huà），而不仅（jǐn）仅是一个环（huán）境，而（ér）是多（duō）个环境。