昆蟲級機(jī)器人憑借小巧身形，能深入大型機(jī)器人無法涉足的區(qū)域，比如在倒塌建筑物內(nèi)部，執(zhí)行地震后搜尋幸存者的重要任務(wù)。
不過，他們面臨兩大運(yùn)動挑戰(zhàn)：能量受限和遠(yuǎn)超其體型的大型障礙物。陸地運(yùn)動效率高，但大多局限于平坦表面；相比之下，飛行雖然靈活多變，但需要強(qiáng)大的動力才能保持高空飛行。
為充分發(fā)揮兩種運(yùn)動方式的優(yōu)勢，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一款跳躍機(jī)器人。它既能輕松躍過高大障礙物，跨越傾斜或不平坦的表面，能耗還比空中機(jī)器人低很多。相關(guān)成果于近日發(fā)表在Science Advances期刊。
這款跳躍機(jī)器人的身高僅約 5 厘米重量不到 1 克，比回形針還輕。其腿上安裝有彈簧，當(dāng)單腿跳躍時，會將離地高度的勢能轉(zhuǎn)化為動能。撞擊地面時，動能又會轉(zhuǎn)化回勢能，如此循環(huán)往復(fù)。另外還有四個撲翼模塊可以提供升力并控制方向。
該機(jī)器人能以每秒約 30 厘米的橫向速度，跳到約 20 厘米的空中，相當(dāng)于其身高的4倍。而且，它能毫不費(fèi)力地跨越冰面、潮濕路面和不平坦的土壤，甚至能跳到懸停的無人機(jī)上。經(jīng)測試，這款跳躍機(jī)器人的能耗比其他飛行機(jī)器人低約 60%
得益于輕盈的重量、出色的耐用性以及跳躍過程中的高效能源利用，這款機(jī)器人的有效載荷能力是類似尺寸空中機(jī)器人的 10 倍，為眾多新應(yīng)用開辟了廣闊前景。
麻省理工學(xué)院研究生、跳躍機(jī)器人相關(guān)論文的共同第一作者 Yi-Hsuan（Nemo）Hsiao 表示：“和飛行機(jī)器人相比，跳躍機(jī)器人更便于搭載電池、電路和傳感器。我們期待有朝一日，它能走出實(shí)驗(yàn)室，在現(xiàn)實(shí)場景中大展身手。”
參與這項(xiàng)研究的還包括：共同第一作者、香港大學(xué)研究助理教授 Songnan Bai；即將入學(xué)麻省理工學(xué)院的研究生 Zhongtao Guan，他以訪問本科生身份參與了此項(xiàng)研究；麻省理工學(xué)院的 Suhan Kim 和 Zhijian Ren；資深作者、香港城市大學(xué)副教授 Pakpong Chirarattananon；以及麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系副教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室軟與微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Kevin Chen。
最大限度地提高效率
跳躍在昆蟲世界中極為常見，跳蚤跳到新宿主身上、蚱蜢在草地上蹦跶，都是典型例子。但在昆蟲大小的機(jī)器人領(lǐng)域，跳躍并不常見，它們大多選擇飛行或爬行。實(shí)際上，跳躍在能源效率方面具有顯著優(yōu)勢。
機(jī)器人跳躍時，會將離地高度產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)化為下落時的動能。動能在撞擊地面時又轉(zhuǎn)化回勢能，上升時再次轉(zhuǎn)化為動能，如此循環(huán)。
為提升這一過程的效率，麻省理工學(xué)院的這款機(jī)器人安裝了一條由壓縮彈簧制成的彈性腿，其結(jié)構(gòu)類似按動筆上的彈簧。機(jī)器人落地時，彈簧能將向下的速度轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系乃俣取?/p>
Hsiao 解釋道：“要是彈簧是理想狀態(tài)，機(jī)器人就能毫無能量損耗地持續(xù)跳躍。但實(shí)際的彈簧并非完美，所以我們借助拍打模塊，補(bǔ)償其與地面接觸時損失的少量能量?！?/p>
機(jī)器人彈回空中時，撲翼會提供升力，同時確保其保持直立姿態(tài)，并為下一次跳躍調(diào)整方向。它的四個撲翼機(jī)構(gòu)由柔軟的致動器（即人造肌肉）驅(qū)動，這些致動器十分耐用，即便反復(fù)與地面撞擊也不易損壞?！霸谝幌盗袑?shí)驗(yàn)過程中，我們始終使用同一個機(jī)器人，從未中途停下來維修過?！?/p>
機(jī)器人性能的關(guān)鍵在于快速控制機(jī)制，它決定了機(jī)器人下一次跳躍的定位。通過外部運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行傳感，觀察者算法利用傳感器測量數(shù)據(jù)，計算出所需的控制信息。
機(jī)器人跳躍時，會沿彈道軌跡在空中劃出弧線。在軌跡頂點(diǎn)，它會估算著陸位置。然后，依據(jù)目標(biāo)著陸點(diǎn)，控制器計算出下一次跳躍所需的起飛速度。飛行過程中，機(jī)器人通過拍打翅膀調(diào)整方向，使其以合適的角度和軸著地，從而實(shí)現(xiàn)正確的方向和速度移動。
耐用性和靈活性
研究人員在草地、冰面、濕玻璃甚至不平坦的地面等不同表面上測試了該機(jī)器人。機(jī)器人沒有出現(xiàn)任何問題。即使在移動的表面上，它也能穩(wěn)定地跳躍，最高可達(dá) 20 厘米。
Hsiao 說：“機(jī)器人不太受著陸表面角度的影響。只要撞擊地面時不打滑，就能正常運(yùn)作。”
然而，在草地上跳躍比在玻璃表面上跳躍需要更多的能量，因?yàn)闉榱说窒莸氐淖枘嵝?yīng)，翅膀拍打需要消耗更多的能量。
得益于小巧的體積和輕盈的重量，這款機(jī)器人的轉(zhuǎn)動慣量更小，相比大型機(jī)器人，它更加靈活，抗碰撞能力也更強(qiáng)。
這款機(jī)器人還能完成一些特技動作，例如翻筋斗或跳上飛行中的無人機(jī)。此外，研究團(tuán)隊展示的跳躍機(jī)器人可承載兩倍重量，而其最大有效載荷可能遠(yuǎn)不止于此。增加重量并不會降低機(jī)器人的效率，實(shí)際上，彈簧的效率才是限制其承載能力的關(guān)鍵因素。
展望未來，研究人員計劃利用機(jī)器人的重物承載能力，為其安裝電池、傳感器和其他電路，期望它能實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)作，走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)場景。
未參與此項(xiàng)研究的伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校助理教授 Justin Yim 評價稱：“多模態(tài)機(jī)器人（融合多種運(yùn)動策略的機(jī)器人）通常很難研制，在如此微小的尺寸下實(shí)現(xiàn)更是難能可貴。這款小型多模態(tài)機(jī)器人功能多樣，能在崎嶇或移動的地形上翻轉(zhuǎn)、跳躍，甚至跳到其他機(jī)器人上，令人驚嘆。該研究展示的連續(xù)跳躍能力，可助力機(jī)器人在障礙物繁多的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)敏捷、高效的移動?！?/p>
https://news.mit.edu/2025/hopping-gives-tiny-robot-leg-up-0409
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