近日，耶鲁（lǔ）大（dà）学Rebecca Kramer-Bottiglio教授（shòu）课题组从陆生和水生乌龟（guī）身上得（dé）到（dào）的灵感，运用了"适应性形态发（fā）生"的设计策略，建造（zào）了一个机器人，它融（róng）合（hé）了传统的（de）刚（gāng）性（xìng）部件和软性材料（liào），从根（gēn）本（běn）上增强了其四肢的形（xíng）状，并为多环（huán）境的运动改变了其步（bù）态。步态、肢体形状和环境（jìng）介质的相（xiàng）互作用证实了（le）控制机器人运（yùn）输成本的重（chóng）要参数。结果证（zhèng）明，自适应形（xíng）态发（fā）生是提（tí）高（gāo）移动机（jī）器人（rén）遇到非结构化、不断变化的环境的（de）效率的（de）有力方法。相关成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题（tí）发表（biǎo）在最新（xīn）一期Nature上，并作为（wéi）Nature封面。

作者认为，一个机器人（rén）可以（yǐ）通过"适应性形态发生（shēng）"来（lái）实现跨环境运动的专业化：通（tōng）过统一（yī）的结构和驱动系统来实现适应性形态和行为。为此，作者合（hé）并了水（shuǐ）生和陆生运动的（de）专门形态特征创造了两栖机（jī）器人龟（ART）（图1a）。通过（guò）一（yī）个单一的类似乌（wū）龟的身体计划（huá），ART通（tōng）过刺激（jī）响（xiǎng）应的软材料和传统的机（jī）器人组（zǔ）件的结（jié）合，采用（yòng）了自适应的形态（tài）发生。使（shǐ）用可（kě）变刚（gāng）度的复合材料（liào）（图1b），在一系列步态的（de）配合下（xià），ART能够在水下游泳，在水（shuǐ）面（miàn）上游泳，在各种基质上运动，以（yǐ）及（jí）在（zài）陆地和水之间过渡。

图（tú）1：海龟启发的两栖机器（qì）人

 

ART的身体（tǐ）有一个变形肢（zhī）体，能够根据环境调整其硬度和形状，完全（quán）集成到机器人结构中（zhōng），以获得测试的效率。身（shēn）体包括四个子（zǐ）系统（tǒng）：底盘、外壳、肩关节（jiē）和变形肢体。底盘容纳电子（zǐ）元件，外壳提供流线（xiàn）型、用（yòng）于浮（fú）力（lì）调整的压载空间、有效（xiào）载（zǎi）荷（hé）存储和保护。肩（jiān）部关（guān）节在运动学配置（zhì）中各有三个马达，以实现一系列的步态（图1c）。由一对拮据的气（qì）动执行器组成的变形肢体与粘附在热（rè）固（gù）性聚合（hé）物上的应变（biàn）限制（zhì）层连接（jiē）到每个（gè）肩（jiān）关节。通（tōng）过嵌入（rù）的加（jiā）热器加热（rè）热固性材料（liào）使其软化，并给气动推（tuī）杆（gǎn）充气，使肢体（tǐ）的横（héng）截（jié）面（miàn）积和硬度发生变化。这些变化使ART的肢体能够（gòu）在有利于行走的（de）圆柱形几何形状和有利于游泳的平鳍（qí）几何形状之（zhī）间进行适应性变形（xíng）。在水中测试（shì）时，ART的浮力可调整为表面（miàn）和水（shuǐ）下游泳（yǒng）（图2a）。随着四肢变形为脚蹼模式（shì），作者研究（jiū）了（le）划水和拍打运动。划水步态（tài）是（shì）一个（gè）相对于机（jī）器（qì）人身体向后的划水动作，随后（hòu）是一个向前和（hé）向背的羽化恢复动作。拍打步态的特点是由连续的上冲和下冲组成的垂直运动轮廓。通过（guò）将ART固定在一个多轴负荷传感器上获得的向前（Fx）和向上（shàng）（Fz）的（de）方向力（lì），阐（chǎn）明了划（huá）水（shuǐ）和最佳拍打步态之间的COT差异（图2c，d）。Fx的图（tú）表（biǎo）表明（míng），在划（huá）水步态的恢复部分产生了反作用（yòng）力（lì），导致ART明显减速或向（xiàng）后移动（图2c）。只有27%的划水动（dòng）作（zuò）构成了生（shēng）产性推力（lì）。在（zài）拍打步态的（de）下冲过程中，ART也会减（jiǎn）速，但在95%的（de）冲程中保（bǎo）持有成效的Fx推力（图2d）。

 

接着作者在瓷片、混凝土和（hé）花岗岩为代表室外城（chéng）市环（huán）境的（de）基质上评估了陆地运（yùn）动（dòng）策略。作者实施了一种静态稳（wěn）定的爬行步态（tài），当爬行时，ART每次只有一个肢体离开地面，同（tóng）时逐步转（zhuǎn）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（qián）进（jìn）时的（de）三维运动捕捉显示了一（yī）致的扫动轨迹（jì）和步长，验（yàn）证了该步态的有效性（图3c）。同（tóng）时运动捕捉数据也帮助解释不（bú）同基质的COT差异（yì）。Z轴数据投影（yǐng）（z*）包含（1）当ART摆动腿部进（jìn）行踏步阶段时的急（jí）剧增加），以及（2）与地形相互作用相应的振（zhèn）动特征（图3d）。z轴数据在步态周期中的漂移表（biǎo）明ART行走时腿部（bù）逐渐伸展或收（shōu）拢。作者计算（suàn）了z轴数据与（yǔ）理想的（de）、完全（quán）稳定（dìng）的轨迹（z）的（de）偏（piān）差，在这（zhè）个（gè）过程中，ART的肢体（tǐ）将完全与地面接触（chù），COT和S之间的正相关（guān）关系强调了与（yǔ）基体（tǐ）保持无滑移（yí）接触的重（chóng）要性（图3e），与基体有关的滑移可（kě）归因于摩擦（cā）和地形特征。

 

作者选择了类似（sì）于海滩海龟运（yùn）动的爬行步态作（zuò）为在（zài）过渡基质上的运动（dòng）方式。当爬（pá）行时，ART躺在（zài）腹部，同（tóng）时利（lì）用前后肢体串联，略微向上（shàng）抬（tái）起，并向后推，以实现向前推（tuī）进（图4a、b）。爬行可以分散机（jī）器人的（de）重量，减轻灾难性的滑行，并防止在运动过程中被困（kùn）住。通过（guò）爬行，ART能够成功穿（chuān）越两种过渡地形，其COT值比在陆地上爬行时高出140%。作者（zhě）还做了基质和ART的组成（chéng）材料之间（jiān）进行了（le）摩擦（cā）试验，以解释爬行（háng）时的COT升（shēng）高。结果显示，外（wài）壳的COT与（yǔ）静（jìng）态（tài）摩擦（cā）系（xì）数（μ）之间呈正相关，而肢体材料的COT与μ之（zhī）间呈负相（xiàng）关（图4c），这（zhè）表明支（zhī）配COT的主要力学因素是ART的甲壳沿基（jī）质的（de）滑动（dòng）。

 

作者（zhě）将ART在水中、陆地上（图5a,b）和过渡基质上（shàng）的运（yùn）动策略结合起（qǐ）来，创造了一（yī）个从陆地（dì）到水生的过渡路线（图5c）。过渡地点由（yóu）一个（gè）海（hǎi）洋入口组成，那里有坚硬的鹅卵石土壤，流向潮（cháo）湿的沙（shā）质区域，然（rán）后变成布满（mǎn）岩石和（hé）植物的浅滩。ART使用腿部（bù）模式和匍匐前进（jìn）的方式来穿（chuān）越坚硬的土（tǔ）壤（rǎng）部分。当ART接（jiē）近水面时，基质（zhì）变（biàn）得（dé）更（gèng）加（jiā）饱和，它开始爬行（háng），以确保稳定性，防止直立步态（tài）的集中点（diǎn）负荷（hé）深入到（dào）基（jī）质中。ART并没有在开阔的（de）水面上走很远，在变形之前，它把（bǎ）四肢抬出水面（miàn）。当它在浅水（shuǐ）区仅部分（fèn）被淹没时，它依靠划水来（lái）游泳。ART记（jì）录了它在运输过程中（zhōng）的环境（jìng），对其（qí）周围环境造成的破坏很小。ART的最小COT性（xìng）能（néng）与许多（duō）陆生和水生动物和机（jī）器人的性能进行（háng）了比较（图5d）。由于（yú）专门针对多种环境，ART的（de）表现与最先进的单模态水生（shēng）或陆生（shēng）机器人相近，在某些情况下甚至超过了后者。最重要的是，ART可以（yǐ）在（zài）非（fēi）结构化的（de）环（huán）境中过渡，同时保持与单模态（tài）机（jī）器人（rén）相（xiàng）当或更好的性能。

 

小结：在非结构化的动态环（huán）境中，例如（rú）陆地到水（shuǐ）的过渡，作者（zhě）发现将身体形状和行为视为可以（yǐ）调整（zhěng）的变量的（de）机（jī）器（qì）人设计可以（yǐ）提高效率。更广泛（fàn）的含义是（shì），未（wèi）来的机器人可（kě）以使用自适（shì）应（yīng）形态发生（shēng）来专业化，而不仅仅是一个环境，而是多个环境。