一款跳跃机器人可能在搜索和救援、建筑，甚至森林监测中发挥作用。但是，如何设计一个能够在树枝或管道上成功着陆的机器人呢？生物学家与机器人设计师合作，发现了松鼠是如何做到的，并利用所学知识设计了一款具有平衡能力和腿部生物力学的一腿机器人，以便在过度或不足着陆时自行调整并成功降落在狭窄的栖息地上。
工程师们设计了能够爬行、游泳、飞行甚至像蛇那样蠕动的机器人，但没有哪款机器人可以与松鼠相提并论，松鼠能在一片树枝丛中进行跑酷，跨越危险的空隙，并在极为脆弱的树枝上实现精准着陆。
加利福尼亚大学伯克利分校的生物学家和工程师们正在努力改善这一现状。基于对松鼠跳跃和着陆生物力学的研究，他们设计了一款可以在狭窄栖息地上成功着陆的跳跃机器人。
这一壮举将在《科学机器人》杂志3月19日的期刊中报告，是设计更灵活机器人的一个重要步骤，这些机器人可以在建筑工地的桁架和支撑梁间跳跃，或者可以监测纠结的森林或树冠中的环境。
论文的高级作者之一、加利福尼亚大学伯克利分校综合生物学教授罗伯特·富尔说：“我们现在的机器人大致上还行，但如何提升到一个新的水平？如何让机器人在灾难中 navigate 具有挑战性的环境，那里有管道、梁和电线？松鼠能够做到这一点，毫无问题，但机器人做不到。”
富尔补充说：“松鼠是大自然中最优秀的运动员。它们能够灵活机动和逃脱的方式令人难以置信。我们的想法是尝试定义赋予动物广泛行为选择的控制策略，以执行非凡的壮举，并利用这些信息来制造更灵活的机器人。”
曾是加利福尼亚大学伯克利分校研究生、论文的共同第一作者贾斯廷·严将富尔和他的生物学学生在松鼠身上发现的知识转化为萨尔托（Salto），这是一款由加利福尼亚大学伯克利分校于2016年开发的一腿机器人，已经能够在平坦的地面上跳跃、跑酷和成功着陆。挑战在于，在到达特定点——一根狭窄的杆子上成功着陆。
严解释道：“如果你想跳到一个点——也许你在玩跳房子游戏，你想把脚落在某个特定位置——你希望能稳稳落脚而不迈出一步。如果你觉得自己要向前摔倒，你可能会转动手臂，但你也可能会站得直直的，以保持不摔倒。如果你觉得要向后摔倒，可能需要坐下因为你无法成功到达目标，你可能会将手臂向后摆动，但你也很可能会在这样做的同时蹲下。这就是我们为机器人编程的相同行为。如果它要向下摆动，则应该蹲下；如果要向上摆动，则应伸展并保持直立。”
应用这些策略，严正在着手一个由NASA资助的项目，设计一款小型一腿机器人，可以探索土星的卫星恩克拉多斯（Enceladus），那里重力是地球的八十分之一，单次跳跃可以让机器人跨越足球场的长度。
新款机器人的设计基于对松鼠着陆的生物力学分析，相关论文已被接受发表在《实验生物学杂志》中，并于2月27日在线发布。富尔是该论文的高级作者，前研究生塞巴斯蒂安·李是第一作者。
生物学与机器人技术的结合
萨尔托（Salto）的全称是“在地形障碍上进行跳跃的灵活运动”，源于一个十年前在罗纳德·菲尔林教授的实验室中的项目，菲尔林现在是加利福尼亚大学伯克利分校电气工程与计算机科学系的研究生院教授。它的跳跃、跑酷和着陆能力主要得益于富尔教授的多足实验室的生物学学生与菲尔林教授的生物仿生微系统实验室的工程学学生之间长期的跨学科合作。
在严担任加利福尼亚大学伯克利分校的研究生期间的五年里——他于2020年获得电气工程与计算机科学博士学位，导师是菲尔林——他每两周与富尔的团队会面，向他们的生物实验学习。严努力利用萨尔托在平坦地面上直立着陆的能力，以便让它能够准确地到达特定目标，比如一根树枝。萨尔托已经拥有一个电动飞轮或反应轮，以帮助其平衡，类似人类旋转手臂以恢复平衡。但是，这还不足以让它能够在危险的栖息地上准确着陆。他决定尝试反向启动萨尔托的电机，并在着陆时使用它们来制动。
怀疑松鼠在着陆时也会用腿作类似动作，生物学和机器人团队同时开展工作，以确认这一点，并展示这会帮助萨尔托成功着陆。富尔的团队在一根树枝上安装了传感器，以测量松鼠着陆时垂直于树枝施加的力以及松鼠用脚施加在树枝上的转动力矩。
研究团队发现，基于高速视频和传感器测量，当松鼠在一次英勇的跳跃后着陆时，它们基本上是在树枝上做俯卧撑，将着陆的力量通过肩关节主动施加，以尽量减少对关节的压力。随后，它们用脚上的垫子抓住树枝并扭转，以克服威胁其过度或不足着陆的多余转动力。
他说：“几乎所有的能量——86%的动能——都被前腿吸收了。它们其实是在树枝上做前俯撑，然后其余部分跟随而至。然后，如果它们要下滑，其脚产生一个拉起的转动力；如果它们要越过顶部——可能是过度跳跃——便会产生制动的转动力。”
然而，更重要的是，他们发现松鼠在着陆时还会根据过度或不足着陆调整施加在树枝上的制动力。
富尔说：“如果你打算不足着陆，你可以产生较小的腿部制动力；你的腿会有所塌陷，这样你的惯性会更小，这将使你摇摆回去进行调整。而如果你过度着陆，你则希望做相反的事情——要让你的腿产生更大的制动力，以便你拥有更大的惯性，能减速，从而实现平衡着陆。”
严和加利福尼亚大学伯克利分校的本科生埃里克·王重新设计了萨尔托，使其融入可调节的腿部力量，补充了反应轮的转矩。经过这些修改，萨尔托能够多次跳到树枝上并保持平衡，尽管它没有用脚抓握的能力，严说。
严说：“我们决定走最困难的道路，不给机器人提供用脚在树枝上施加任何转矩的能力。我们特别设计了一种被动抓手，摩擦非常低，以最小化这种转矩。在未来的工作中，我认为探索其他更先进的抓手可能会扩大机器人对树枝施加的转矩的控制能力，并提升其着陆能力，可能不仅仅是在树枝上，还可以在复杂平坦的地面上。”
与此同时，富尔正在研究松鼠在着陆时施加的转矩的重要性。他说，松鼠与猴子不同，松鼠没有可用的拇指来实现抓握，因此它们必须用手掌抓住树枝。但这可能是一个优势。
他说：“如果你是被捕食者追赶的松鼠，比如鹰或其他松鼠，你希望能够有足够稳定的抓握，从而能够迅速从一根树枝上跑出，但不要太紧。如果抓得太紧，你就不必担心放手，它们只需弹离。”
一腿机器人可能听起来不太实用，因为静止时可能会摔倒。但严表示，若要跳得更高，一条腿是最合适的选择。
严说：“一条腿是跳跃的最佳数量；如果不把力量分布到多个不同的装置上，您可以将最大力量集中到这条腿上。而您从只有一条腿所产生的缺点在跳得更高时就会减少。当你跳得超过多条腿的高度时，只有一种步态，而这种步态是每条腿同时接触地面并且每条腿在大约相同时间离开地面。所以在那个时候，拥有多条腿就像拥有一条腿，你不如就只用那一条。”
《科学机器人》论文的其他共同作者包括菲尔林，以及前加利福尼亚大学伯克利分校本科生埃里克·王（现在是麻省理工学院的研究生）和前研究生纳撒尼尔·亨特（现在是内布拉斯加大学奥马哈分校的副教授）。《实验生物学》论文的共同作者包括王、亨特、菲尔林、加利福尼亚大学伯克利分校机械工程副教授汉娜·斯图尔特以及前加利福尼亚大学伯克利分校本科生斯坦利·王和杜宜·阮。该研究获得了美国陆军研究办公室（W911NF-18-1-0038，W911NF-1810327）和国家卫生研究院（P20GM109090）的资助。
