打破紀錄的跳躍機器人能躍過10層樓高的建築

當工程師想要設計能夠在複雜的現實世界環境中導航的機器人時，他們經常求助於動物王國。這種仿生學已經產生了像狗或獵豹一樣奔跑或像鳥類起飛一樣跳躍的機器人。但是現在，加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員透過忽略生物模型的約束，達到了新的高度。他們30釐米高的跳躍器可以彈跳超過30米到空中——大約相當於10層樓的高度，是自身高度的100倍。

這種違反重力的效能遠遠超過了任何生物能夠達到的距離。“最好的動物跳躍者可能是[一種松鼠大小的靈長類動物，叫做] 加拉戈，據測量，它可以從靜止狀態跳躍約2.3米高，”加州大學聖塔芭芭拉分校的機械工程師、詳細介紹超級跳躍器專案的研究的主要作者 Elliot W. Hawkes 說。他補充說，該裝置在機械領域也很突出，此前，內燃機已將跳躍器發射到八米的高度，壓縮氣體已驅動它們達到十米的高度。“它比世界上大多數跳躍機器人跳得高得多——如果不是所有我所知道的，”卡內基梅隆大學的機械工程師 Sarah Bergbreiter 說，她沒有參與這項新研究，但寫了一篇相關的評論。

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設計新型跳躍器的團隊依賴於彈性動力。在這種跳躍系統中，一個叫做致動器的部件移動並將能量儲存在彈簧中，彈簧由閂鎖釋放，將物體推進到空中。這種基本機制與動物王國成員使用的機制類似。例如，蚱蜢的腿部肌肉充當致動器：當它收縮時，它會向後彎曲膝關節的彈簧狀部分以產生張力，張力釋放後會將昆蟲彈射跳躍。

但對於新專案，人類工程引入了一些關鍵的創新。對於任何基於彈性的跳躍器，可達到的高度取決於彈簧可以儲存的能量，而這反過來又取決於兩個因素。第一個因素是致動器可以提供多少功。在動物中，肌肉只有一次收縮，它們可以用它來拉伸它們的“彈簧”。但是，對於新型機械跳躍器中的致動器，工程師們使用了一個電機——它可以每次跳躍前多次轉動，從而不斷儲存更多能量。

彈性跳躍器威力的第二個因素是彈簧在不增加過多額外重量的情況下儘可能多地保持能量的能力。為了最大限度地提高新機器人的能量密度，該團隊創造了一個 30 克的裝置，其整個身體都充當彈簧。它由橡皮筋和碳纖維板條組成，碳纖維板條的能量密度遠高於生物組織。當致動器（一個輕型旋轉電機）轉動時，它會纏繞一根繩子，繩子會收緊彈簧：它使橡皮筋處於張力之下並壓縮碳纖維，將每個板條彎曲成彎曲的形狀，就像弓箭手的弓一樣。然後閂鎖釋放，以大約每小時 100 公里的速度將機器人射入空中——有點像一支自推進的箭。該團隊在週三發表在《自然》雜誌上的一篇論文中描述了它。

一種可以將自己拋過建築物的機器人可以有效地在一些常見的環境中導航，而這些環境目前阻礙了輪式、步行甚至飛行設計。“在某種意義上，跳躍是一種極好的出行方式，因為你可以跳過路徑中可能存在的障礙物，”Bergbreiter 指出，“而你不會遇到試圖飛越這些障礙物或用腿繞過這些障礙物所帶來的許多複雜性。”Hawkes 特別渴望為太空探索開發跳躍機器人；他指出，他的裝置在無空氣、低重力環境中可以跳躍到更令人印象深刻的距離。“在月球上，我們的裝置理論上可以一次跳躍半公里，同時達到 125 米的高度，”他說。“例如，它可以跳到無法接近的懸崖邊或跳入隕石坑底部，採集樣本並返回輪式探測車。”

Hawkes 正在與 NASA 合作進一步開發該裝置。但在它飛向月球之前，跳躍器還必須經過更多的開發。例如，目前的原型沒有自主導航的能力。它還依賴電池為電機供電，並且每次跳躍之間需要幾分鐘時間來重新裝載彈簧。重要的是，它無法控制跳躍的高度。儘管如此，Hawkes 希望在五年內準備好更先進的版本以供起飛。

然而，即使不離開地球，新裝置也可以透過展示仿生學的侷限性來幫助科學家。許多跳躍機器人的設計部分是為了幫助研究人員研究從跳蚤到人類的生物如何將身體拋向空中。因此，它們融入了這些動物的侷限性——但這個專案有助於表明它們不必如此，並且忽略某些規則會帶來巨大的優勢。“生物系統在與工程系統不同的約束下工作，這意味著生物學中的理想解決方案並不總是工程學中的理想解決方案，”Hawkes 解釋說。“至關重要的是，要考慮給定的工程系統與模型生物系統具有哪些相似和不同的約束——並相應地進行設計，而不是簡單地複製自然界中找到的解決方案。”這種方法的成功表明，它可以被調整以構建用於各種應用的其他敏捷機器。

Bergbreiter 同意。“我們不必像生物學那樣，以相同的侷限性來設計系統——就像飛機不會拍打翅膀，汽車不會奔跑一樣，”她說。“我們可以非常不同地設計系統，因為我們有不同的假設和侷限性。”