打破纪录的跳跃机器人能跃过10层楼高的建筑

当工程师想要设计能够在复杂的现实世界环境中导航的机器人时，他们经常求助于动物王国。这种仿生学已经产生了像狗或猎豹一样奔跑或像鸟类起飞一样跳跃的机器人。但是现在，加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员通过忽略生物模型的约束，达到了新的高度。他们30厘米高的跳跃器可以弹跳超过30米到空中——大约相当于10层楼的高度，是自身高度的100倍。

这种违反重力的性能远远超过了任何生物能够达到的距离。“最好的动物跳跃者可能是[一种松鼠大小的灵长类动物，叫做] 加拉戈，据测量，它可以从静止状态跳跃约2.3米高，”加州大学圣塔芭芭拉分校的机械工程师、详细介绍超级跳跃器项目的研究的主要作者 Elliot W. Hawkes 说。他补充说，该设备在机械领域也很突出，此前，内燃机已将跳跃器发射到八米的高度，压缩气体已驱动它们达到十米的高度。“它比世界上大多数跳跃机器人跳得高得多——如果不是所有我所知道的，”卡内基梅隆大学的机械工程师 Sarah Bergbreiter 说，她没有参与这项新研究，但写了一篇相关的评论。

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设计新型跳跃器的团队依赖于弹性动力。在这种跳跃系统中，一个叫做致动器的部件移动并将能量存储在弹簧中，弹簧由闩锁释放，将物体推进到空中。这种基本机制与动物王国成员使用的机制类似。例如，蚱蜢的腿部肌肉充当致动器：当它收缩时，它会向后弯曲膝关节的弹簧状部分以产生张力，张力释放后会将昆虫弹射跳跃。

但对于新项目，人类工程引入了一些关键的创新。对于任何基于弹性的跳跃器，可达到的高度取决于弹簧可以存储的能量，而这反过来又取决于两个因素。第一个因素是致动器可以提供多少功。在动物中，肌肉只有一次收缩，它们可以用它来拉伸它们的“弹簧”。但是，对于新型机械跳跃器中的致动器，工程师们使用了一个电机——它可以每次跳跃前多次转动，从而不断存储更多能量。

弹性跳跃器威力的第二个因素是弹簧在不增加过多额外重量的情况下尽可能多地保持能量的能力。为了最大限度地提高新机器人的能量密度，该团队创造了一个 30 克的设备，其整个身体都充当弹簧。它由橡皮筋和碳纤维板条组成，碳纤维板条的能量密度远高于生物组织。当致动器（一个轻型旋转电机）转动时，它会缠绕一根绳子，绳子会收紧弹簧：它使橡皮筋处于张力之下并压缩碳纤维，将每个板条弯曲成弯曲的形状，就像弓箭手的弓一样。然后闩锁释放，以大约每小时 100 公里的速度将机器人射入空中——有点像一支自推进的箭。该团队在周三发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了它。

一种可以将自己抛过建筑物的机器人可以有效地在一些常见的环境中导航，而这些环境目前阻碍了轮式、步行甚至飞行设计。“在某种意义上，跳跃是一种极好的出行方式，因为你可以跳过路径中可能存在的障碍物，”Bergbreiter 指出，“而你不会遇到试图飞越这些障碍物或用腿绕过这些障碍物所带来的许多复杂性。”Hawkes 特别渴望为太空探索开发跳跃机器人；他指出，他的设备在无空气、低重力环境中可以跳跃到更令人印象深刻的距离。“在月球上，我们的设备理论上可以一次跳跃半公里，同时达到 125 米的高度，”他说。“例如，它可以跳到无法接近的悬崖边或跳入陨石坑底部，采集样本并返回轮式探测车。”

Hawkes 正在与 NASA 合作进一步开发该设备。但在它飞向月球之前，跳跃器还必须经过更多的开发。例如，目前的原型没有自主导航的能力。它还依赖电池为电机供电，并且每次跳跃之间需要几分钟时间来重新装载弹簧。重要的是，它无法控制跳跃的高度。尽管如此，Hawkes 希望在五年内准备好更先进的版本以供起飞。

然而，即使不离开地球，新设备也可以通过展示仿生学的局限性来帮助科学家。许多跳跃机器人的设计部分是为了帮助研究人员研究从跳蚤到人类的生物如何将身体抛向空中。因此，它们融入了这些动物的局限性——但这个项目有助于表明它们不必如此，并且忽略某些规则会带来巨大的优势。“生物系统在与工程系统不同的约束下工作，这意味着生物学中的理想解决方案并不总是工程学中的理想解决方案，”Hawkes 解释说。“至关重要的是，要考虑给定的工程系统与模型生物系统具有哪些相似和不同的约束——并相应地进行设计，而不是简单地复制自然界中找到的解决方案。”这种方法的成功表明，它可以被调整以构建用于各种应用的其他敏捷机器。

Bergbreiter 同意。“我们不必像生物学那样，以相同的局限性来设计系统——就像飞机不会拍打翅膀，汽车不会奔跑一样，”她说。“我们可以非常不同地设计系统，因为我们有不同的假设和局限性。”