一种仿生机器人能够改变形状，以改变其自身的物理属性以响应环境，从而实现强大而高效的自主移动工具，并为机器人的运动提供了一种全新的方法。
从能够在近乎垂直的岩石面上奔跑的山羊到能卷成保护球的犰狳，动物们已经进化出能够轻松适应环境变化的能力。相比之下，当自主机器人被编程到达目标时，其预定路径的每一次变化都会带来显著的物理和计算挑战。
在洛桑联邦理工学院工程学院的CREATE实验室，Josie Hughes领导的研究人员希望开发一种能够像动物一样灵活穿越多样环境的机器人，通过实时改变形态。借助GOAT（适合所有地形的机器人），他们实现了这一目标，同时创造了机器运动和控制的新范式。
得益于其灵活而耐用的设计，GOAT在移动时可以自发地在平坦的“探测器”形状和球形之间转换。这使其能够在行驶、滚动，甚至游泳之间切换，同时消耗的能量低于具有肢体或附属物的机器人。
“当大多数机器人计算从A到B的最短路径时，GOAT会考虑出行方式以及所走的路径，”Hughes解释道。“例如，GOAT可以直接游过障碍物，如溪流，而不是绕过。如果它的路径很崎岖，它可以作为一个球被动地向下滚动，以节省时间和能量，然后在滚动不再有利时主动作为探测器行驶。”
这项研究已发表在《科学机器人》杂志上。
合规性是关键
为了设计他们的机器人，CREATE团队从动物王国中汲取灵感，包括蜘蛛、袋鼠、蟑螂和章鱼。该团队的仿生设计导致了一种高度合规的设计，这意味着它会在与环境互动时适应，而不是保持僵硬。这种合规性意味着GOAT可以主动改变形状，以改变其被动属性，从在“探测器”配置下更灵活，到作为球体时更结实。
机器人由廉价材料制成，简单的框架由两根相交的弹性玻璃纤维杆构成，配有四个无轮辐的电动轮。两根绞盘驱动的电缆改变框架的配置，最终像肌腱一样缩短，将其紧紧拉成一个球。电池、机载计算机和传感器被装载在一个重达2公斤的有效载荷中，悬挂在框架的中心，在球形模式下保护良好——就像刺猬保护其腹部一样。
走最小阻力的路径
CREATE实验室的博士生Max Polzin解释道，合规性还使GOAT能够以最低的传感设备进行导航。GOAT仅配备了卫星导航系统和一种用于测量其自身方向的设备（惯性测量单元），不需要携带相机：它根本不需要确切知道路径上有何物。
“在极端地形中导航的大多数机器人都有大量传感器来确定每个马达的状态，但凭借利用自身合规性的能力，GOAT不需要复杂的感知。即使对于环境信息有限，它也能利用环境找到最佳路径：最小阻力的路径，”Polzin说。
未来的研究方向包括改进算法，帮助利用变形、合规机器人独特的能力，以及将GOAT的设计规模上下调整，以适应不同的有效载荷。展望未来，研究人员看到他们的设备有许多潜在应用，从环境监测到灾害响应，甚至是外星探索。
“像GOAT这样的机器人可以迅速部署到未知的地形中，几乎不需要感知和规划系统，使它们能够将环境挑战转化为计算资产，”Hughes说。“通过结合主动重新配置和被动适应，下一代合规机器人甚至可能超越自然的多功能性。”
