摘要：工程师们已经设计出可以爬行、游泳、飞行甚至像蛇一样滑行的机器人，但没有一个机器人可以与松鼠相提并论，松鼠可以在茂密的树枝中跑酷，跳过危险的缝隙，并在最脆弱的树枝上精确着陆。

工程师们已经设计出可以爬行、游泳、飞行甚至像蛇一样滑行的机器人，但没有一个机器人可以与松鼠相提并论，松鼠可以在茂密的树枝中跑酷，跳过危险的缝隙，并在最脆弱的树枝上精确着陆。

加州大学伯克利分校的生物学家和工程师们正在努力解决这一问题。他们根据对松鼠跳跃和着陆的生物力学的研究，设计出了一种可以稳稳地落在狭窄栖木上的跳跃机器人。

这一壮举将于 3 月 19 日的《科学机器人》杂志上报道，它是更敏捷的机器人设计方面的一大进步，这些机器人可以在在建建筑物的桁架和大梁之间跳跃，也可以在纠结的森林或树冠层中监测环境。

“我们现在的机器人已经很不错了，但如何将其提升到一个新的水平？在有管道、横梁和电线的灾难环境中，如何让机器人在充满挑战的环境中行走？松鼠可以做到这一点，没问题。机器人做不到，”论文的资深作者之一、加州大学伯克利分校综合生物学教授罗伯特·富尔 (Robert Full) 说。

“松鼠是自然界最好的运动员，”富尔补充道。“它们机动和逃脱的方式令人难以置信。我们的想法是尝试定义控制策略，让动物有广泛的行为选择来完成非凡的壮举，并利用这些信息制造更敏捷的机器人。”

贾斯汀·伊姆 (Justin Yim) 是加州大学伯克利分校的前研究生，也是这篇论文的共同第一作者，他将富尔和他的生物学学生在松鼠身上发现的东西转化为 Salto，这是加州大学伯克利分校于 2016 年开发的一款单腿机器人，它已经可以跳跃、跑酷和稳稳落地，但只能在平地上进行。挑战是要稳稳落地，同时击中一个特定的点——一根细杆。

“如果你想尝试跳到某个点——也许你在玩跳房子之类的游戏，你想让你的脚落在某个点——你想稳住落地，而不是迈出一步，”现任伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程系助理教授的 Yim 解释道。“如果你觉得自己会向前摔倒，那么你可能会像旋转一样挥动手臂，但你也可能会站直，以防止自己摔倒。如果你觉得自己会向后摔倒，而且你可能不得不坐下来，因为你无法完全做到这一点，那么你可能会像旋转一样挥动手臂，但你也可能会蹲下。这是我们为机器人编程的相同行为。如果它要在下面摆动，它应该蹲下。如果它要摆过去，它应该伸出来站直。”

利用这些策略，Yim 着手进行一个由 NASA 资助的项目，旨在设计一种小型单腿机器人，用于探索土星的卫星土卫二。土卫二的重力是地球的八十分之一，一次跳跃就能让机器人行走一个足球场的长度。

新型机器人设计以松鼠着陆的生物力学分析为基础，该分析详述于《实验生物学杂志》接受发表的一篇论文中，该论文于 2 月 27 日在线发布。Full 是该论文的资深作者，前研究生 Sebastian Lee 是该论文的第一作者。

融合生物学和机器人技术

Salto 是“在障碍地形上跳跃敏捷运动”的缩写，十年前诞生于罗纳德·菲林的实验室，他现在是加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系 (EECS) 研究生院的教授。它的跳跃、跑酷和着陆能力大部分是福尔多足实验室的生物学学生和菲林仿生微系统实验室的工程学学生之间长期跨学科合作的成果。

在 Yim 就读加州大学伯克利分校研究生的五年时间里，他于 2020 年获得电子工程与计算机科学博士学位，Fearing 是他的导师。他每隔一周就会与 Full 的团队会面，学习他们的生物学实验。Yim 试图利用 Salto 直立降落在平坦地点（即使是在户外）的能力，让它击中特定目标，比如树枝。Salto 已经有一个机动飞轮或反作用轮来帮助它保持平衡，就像人类转动手臂来恢复平衡一样。但这还不足以让它直接降落在危险的栖木上。他决定尝试反转发射 Salto 的马达，并在着陆时使用它们来制动。

生物学和机器人学团队怀疑松鼠着陆时也会用腿做同样的事情，于是他们齐心协力证实了这一点，并证明这将有助于 Salto 着陆。Full 的团队在树枝上安装了传感器，测量松鼠着陆时垂直于树枝的力以及松鼠用脚对树枝施加的扭矩或旋转力。

研究小组根据高速视频和传感器测量发现，当松鼠英勇地跳起后落地时，它们基本上是在树枝上倒立，通过肩关节传递落地的力量，以尽量减少关节的压力。然后，它们用脚上的肉垫抓住树枝，扭动身体，以克服任何可能让它们掉到树枝上方或下方的过大扭矩。

“几乎所有的能量——86% 的动能——都被前腿吸收了，”他说。“它们实际上是在树枝上做前倒立，然后其余的能量随之而来。然后，如果它们要从树枝下方跳下去，它们的脚就会产生一个上拉扭矩；如果它们要从树枝上方跳下去——它们可能会超出范围——它们就会产生一个制动力矩。”

然而，也许对平衡更重要的是，他们发现松鼠还会调整着陆时施加在树枝上的制动力，以补偿过度或不足。

“如果你的飞行速度低于预期，那么你可以减少腿部的制动力；你的腿会有些下垂，然后你的惯性就会减小，这样你就能重新摆回正确的位置，”福尔说。“而如果你的飞行速度高于预期，那么你就应该采取相反的做法——让你的腿产生更大的制动力，这样你就会有更大的惯性，从而减慢你的速度，这样你就能平衡地着陆。”

Yim 和加州大学伯克利分校本科生 Eric Wang 重新设计了 Salto，加入了可调节的腿部力量，补充了反作用轮的扭矩。Yim 说，通过这些修改，Salto 能够跳到树枝上并保持平衡，尽管它没有用脚抓地的能力。

Yim 表示：“我们决定选择最困难的路径，让机器人无法用脚对树枝施加任何扭矩。我们专门设计了一种被动夹持器，摩擦力非常小，可以最大限度地降低扭矩。在未来的工作中，我认为探索其他功能更强大的夹持器会很有趣，这些夹持器可以大大扩展机器人控制施加到树枝上的扭矩的能力，并扩大其着陆能力。也许不只是在树枝上，在复杂的平地上也可以。”

与此同时，富尔正在研究松鼠脚落地时施加的扭矩的重要性。他说，与猴子不同，松鼠没有可用的拇指来抓握树枝，所以它们必须用手掌抓住树枝。但这可能是一个优势。

“如果你是一只被猎鹰或其他松鼠等掠食者追赶的松鼠，你需要有足够稳定的抓握力，这样你就可以快速地从树枝上跑下来，但抓握力不要太强，”他说。“它们不必担心松手，它们会弹开。”

单腿机器人可能听起来不太实用，因为站立不动时可能会摔倒。但 Yim 表示，要想跳得很高，一条腿才是最佳选择。

“一条腿是跳跃的最佳方式；如果你不将力量分散到多个不同的设备上，你可以将最大的力量放在那一条腿上。而且，随着你跳得更高，只有一条腿带来的缺点会减少，”Yim 说。“当你跳的高度是腿的高度的很多倍时，只有一种步态，那就是每条腿同时接触地面，每条腿大约同时离开地面。所以在这种情况下，有多条腿就像只有一条腿一样。你最好只用一条腿。”

《科学机器人》论文的其他合著者包括 Fearing 和前加州大学伯克利分校本科生 Eric Wang（现为麻省理工学院研究生）以及前研究生 Nathaniel Hunt（现为内布拉斯加大学奥马哈分校副教授）。《J. Exp. Bio.》论文的合著者包括 Wang、Hunt、Fearing、加州大学伯克利分校机械工程副教授 Hannah Stuart 以及前加州大学伯克利分校本科生 Stanley Wang 和 Duyi Kuang。该研究由美国陆军研究办公室 (W911NF-18-1-0038、W911NF-1810327) 和美国国立卫生研究院 (P20GM109090) 资助。

来源：人工智能学家