近日，耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio教授课题组从（cóng）陆生和水生乌龟身（shēn）上得到的灵感，运用了"适应性形态发生"的设计策略（luè），建造了一个机器（qì）人，它融合了传（chuán）统的（de）刚性部件（jiàn）和（hé）软（ruǎn）性材料（liào），从根本上增强了其四肢的形（xíng）状，并为多环境的（de）运动改变了其步态。步态、肢体形状（zhuàng）和环境介质（zhì）的相互作用证实了控制机器人运（yùn）输成（chéng）本的重要参数。结果证明，自适应形态发生是提高（gāo）移（yí）动机器人遇到非（fēi）结构化、不断（duàn）变化的环（huán）境的（de）效率的有力方法。相关成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题发表在最新一期Nature上，并作为Nature封面。

作者认为，一个机器人（rén）可以通（tōng）过"适应（yīng）性形态发生"来实现跨环境运动的（de）专（zhuān）业化：通过统一（yī）的结构和驱动（dòng）系统（tǒng）来实（shí）现适应性形（xíng）态和行为。为此，作者（zhě）合（hé）并了（le）水生和陆生运动的专（zhuān）门形态特征创（chuàng）造了两（liǎng）栖机器人龟（ART）（图1a）。通过（guò）一个单一的类似乌龟的身体计划，ART通过刺（cì）激（jī）响应（yīng）的软材料和传统（tǒng）的机（jī）器人组件（jiàn）的结（jié）合，采用了自适应（yīng）的形态发生。使用可变刚（gāng）度的复合材料（liào）（图（tú）1b），在一系（xì）列步态的（de）配合下（xià），ART能（néng）够在水（shuǐ）下（xià）游泳，在水面上游泳，在各种（zhǒng）基质上运动，以及在陆地（dì）和（hé）水之间过渡。

图1：海龟启（qǐ）发的两栖机器人

 

ART的身体有一个（gè）变形肢体，能够根据环境调整其硬度和形状，完全集成到机器人结构中，以获得测试的（de）效（xiào）率（lǜ）。身体包括四个（gè）子系统：底盘、外壳、肩关节和变形肢体。底盘容纳（nà）电子元（yuán）件，外壳（ké）提供流线型、用于浮力调整的压载空间、有效载荷存储和保护（hù）。肩部关节（jiē）在运动学配置中各有三（sān）个马（mǎ）达，以实现一（yī）系列的（de）步态（图（tú）1c）。由一对拮（jié）据（jù）的（de）气动（dòng）执行（háng）器组成的（de）变形肢体与粘附在（zài）热固性聚合（hé）物上的应变限制层连（lián）接到每个肩关节。通过嵌入的（de）加（jiā）热（rè）器加热热（rè）固性材料使其软化，并给气动推杆充气（qì），使肢体的横截面积和硬度发生（shēng）变（biàn）化。这些变化使ART的（de）肢体能（néng）够在（zài）有（yǒu）利于行走的圆柱（zhù）形几何形状和有利于游泳的平鳍几（jǐ）何形状之间进行适应性变形。在水（shuǐ）中测试时，ART的浮（fú）力可调整为表面和水下游泳（图（tú）2a）。随（suí）着四肢变形为（wéi）脚蹼模式，作者研究了划水（shuǐ）和拍打运动。划水步态是一（yī）个相（xiàng）对于机器（qì）人身体向后的划水动作（zuò），随后（hòu）是一个向前和向（xiàng）背的（de）羽化恢复（fù）动作（zuò）。拍打步态的特点是由连续的（de）上冲和下（xià）冲组成的垂直运动轮廓（kuò）。通过将ART固定在一个多轴负（fù）荷传感器上获得的向前（Fx）和向上（Fz）的方向力，阐明了划（huá）水和最佳拍打（dǎ）步态之间的COT差异（图2c，d）。Fx的图表（biǎo）表明，在划水步（bù）态（tài）的恢（huī）复部分产生了反作用力，导致ART明显减速或向后（hòu）移动（图2c）。只有27%的（de）划水动作构成（chéng）了生（shēng）产性（xìng）推力。在拍打步（bù）态的下冲过（guò）程中，ART也会（huì）减速，但（dàn）在95%的冲（chōng）程中保持有（yǒu）成效的Fx推力（图（tú）2d）。

 

接着（zhe）作者在瓷片、混（hún）凝土和花岗（gǎng）岩（yán）为代表室（shì）外城市环境的基质上评估了（le）陆地运动（dòng）策略（luè）。作者实施了一种静（jìng）态稳定的爬行步（bù）态，当（dāng）爬行时，ART每（měi）次只有（yǒu）一个（gè）肢体（tǐ）离（lí）开地面（miàn），同时逐步转动其（qí）身体向前移（yí）动（图（tú）3a,b）。ART的左后肢远端在不同基质上匍匐前（qián）进时的（de）三维（wéi）运动捕捉显（xiǎn）示了一致的扫动轨迹和步长，验证了该步态的有（yǒu）效（xiào）性（图3c）。同时运动捕捉数据也（yě）帮助解（jiě）释（shì）不同基质的COT差异。Z轴数据投影（z*）包含（hán）（1）当ART摆动腿部进行踏（tà）步（bù）阶段时（shí）的急剧增加），以及（2）与地形相互作用相（xiàng）应的振动特征（图3d）。z轴数（shù）据在步态周（zhōu）期中的漂（piāo）移（yí）表明ART行走时腿（tuǐ）部逐渐（jiàn）伸展（zhǎn）或收拢。作者计（jì）算了z轴数据与理想（xiǎng）的、完全稳（wěn）定的轨（guǐ）迹（z）的偏差，在（zài）这个过程（chéng）中，ART的肢体将完（wán）全与地面接触（chù），COT和S之间的正相关关系（xì）强调了与基（jī）体保持无滑（huá）移接（jiē）触的重要（yào）性（图3e），与基（jī）体有（yǒu）关的滑（huá）移可归因于（yú）摩擦和地形（xíng）特征（zhēng）。

 

作者选择了类（lèi）似于（yú）海滩海龟运动（dòng）的爬行（háng）步态（tài）作为在过渡基质上的运动（dòng）方式。当爬（pá）行时，ART躺在腹部，同（tóng）时利用（yòng）前后肢体（tǐ）串联（lián），略微向上抬起，并向后推，以实现向（xiàng）前推进（图4a、b）。爬行可以分（fèn）散机器人（rén）的（de）重量，减轻灾难（nán）性的（de）滑行，并防止在运动（dòng）过程中被困住。通过爬（pá）行，ART能够成功穿越两种（zhǒng）过渡地形，其（qí）COT值比在陆地上爬行时高（gāo）出140%。作者还做了基质和ART的组成材（cái）料之间进行了摩擦试验（yàn），以（yǐ）解（jiě）释爬（pá）行（háng）时的（de）COT升高。结果显示，外壳的COT与静态（tài）摩擦系（xì）数（μ）之间呈正相关（guān），而肢体材料（liào）的COT与μ之间（jiān）呈负相关（图4c），这（zhè）表明支配COT的主要力学因素是ART的甲壳（ké）沿基质的滑动。

 

作者将ART在（zài）水中、陆地上（图5a,b）和过（guò）渡基质上的运动策略结合起来，创（chuàng）造了一个从陆地到水（shuǐ）生（shēng）的（de）过渡路（lù）线（图5c）。过渡地点由一（yī）个海洋入口组成，那里有坚硬的鹅卵石土壤，流向潮湿的沙（shā）质区域，然后变成布满岩（yán）石（shí）和植（zhí）物（wù）的浅滩。ART使用腿部模式和匍匐前进的方式来穿越坚硬的土（tǔ）壤部（bù）分。当ART接近（jìn）水面（miàn）时，基质变得（dé）更加（jiā）饱和，它开始爬行，以（yǐ）确（què）保稳定（dìng）性，防（fáng）止（zhǐ）直立步（bù）态的集中点负荷（hé）深入（rù）到基质中。ART并没有（yǒu）在开阔（kuò）的水面上走很远，在变（biàn）形（xíng）之前（qián），它把四肢抬出（chū）水面。当它（tā）在浅水区仅部分被淹没时（shí），它依（yī）靠划水（shuǐ）来游泳。ART记录了它在运输过程中的环境，对其周围环境（jìng）造成的破坏很小。ART的（de）最小（xiǎo）COT性能与许（xǔ）多陆生和水生动物和机（jī）器人（rén）的性能（néng）进行（háng）了（le）比较（图5d）。由于专（zhuān）门针对（duì）多种环境，ART的表现与（yǔ）最先进的单模（mó）态水生或（huò）陆生机器人相近，在某些情况下（xià）甚至（zhì）超过（guò）了后者。最重要的是，ART可以在非（fēi）结构（gòu）化的环境中过渡，同（tóng）时保持（chí）与单模（mó）态（tài）机器（qì）人相当或更好的性能。

 

小结（jié）：在非结构化的（de）动态环境（jìng）中（zhōng），例如陆（lù）地到（dào）水的（de）过渡，作者发现将身（shēn）体形状和行（háng）为视为可以调（diào）整的变量的（de）机（jī）器人设计（jì）可以提高效率（lǜ）。更广（guǎng）泛的含义是，未来（lái）的机器人（rén）可以使用自适应形（xíng）态发生来（lái）专（zhuān）业（yè）化，而不仅仅是一个环境，而是多个（gè）环境。