导语：要使机器人上楼梯，这对于科学家们来说从来都是一个挑战，那么如何才能解决这一问题？本文将为您揭秘。
关键词：机器人；3D打印；跳跃
这儿有电梯么？我想要征服宇宙，而我还需要再上一楼。（图片来源：Les Chatfield/Flickr）
我们很久之前就已经开始尝试通过机器人模拟现实生物。对于早期的机器人，我们就已尝试模拟类似于人类胳膊和手的系统。而目前这一研究已经扩展为灵活的移动平台，以模仿包括狗、蛇，具有8条腿的蜘蛛，甚至是类人动物等在内的众多不同动物。
从蟑螂到袋鼠，乃至其它动物，其关键运动形式之一即跳跃。但要在自主机器人中引入跳跃机制需要设计师的更多努力。其中一个主要挑战即为让机器人有效率地通过凹凸不平的表面和障碍物。即使是像上下楼梯这样简单的任务对于机器人工程师来说也相当困难。
会跳跃的机器人可以进入那些传统轮式或腿式机器人无法进入的区域。在一些搜索和救援或探测任务中，例如，在塌的建筑物，这种机器人甚至可能优于的无人飞行器（UAV）或四轴飞行器“无人驾驶飞机”。
在机器人学领域，已经有越来越多的研究开始致力于会跳跃式设计的可移动平台。各种不同的技术已经应用于跳跃机器人，例如使用双铰接液压腿部或通过二氧化碳助力的活塞以推动机器人离开地面。其他方法还包括使用形状记忆合金（使用电流来加热时，金属会改变形状从而产生一个跳跃力），乃至使用受控爆炸来形成弹跳力跳跃。但对于这一复杂任务，目前还没有普遍接受的标准解决方案。
加利福尼亚圣地亚哥大学和哈佛大学的研究人员开发了一个新的方法，即为机器人的身体加入部分柔软组织。大多数机器人主要以刚性的框架结合传感器，驱动器和控制器，但机器人设计的其中一个特定分支则为制造柔软，灵活且能如生物组织一般适应其周遭环境的机器人。柔软的框架和结构有助于实现刚性结构不能实现的复杂动作。
软着陆（图片来源：Jacobs School of Engineering/UC San Diego/Harvard University）
新的机器人使用3D打印技术制作，以实现刚性和柔软部分的无缝结合。主体部分包含两个半球，它们彼此嵌合以形成灵活的隔腔。氧气和丁烷注入隔腔并点燃，隔腔膨胀，从而将机器人发射到空中。气动腿用于使机器人的身体朝预定的跳跃方向倾斜。
与其他许多机制不同的是，随着氧气与丁烷的不断注入，这一设计可以使机器人连续跳跃。举个例子，采用弹簧的收缩—弹开机制的机器人在弹簧重新释放前需要等待弹簧重新压缩。但这个新机制的缺点在于它对3D打印的依赖使其难以大量生产。
通过3D打印将机器人的软和硬元素结合到一个单一的结构，是使上述情况成为可能重要条件。在当今的3D打印领域，出于不同的目的会使用不同的材料，从灵活的NinjaFlex（译注：NinjaFlex是一款新型的3D打印机柔性长丝材料，是专门配制生产的热塑性弹性体（TPE）材料，具有灵活的弹力特性。），到高强度的尼龙，甚至于传统的木材和铜材，材料品种繁多而庞杂。
拥有多个打印头的“多挤塑”打印机的发明意味着在制造一个物品时可以使用两种或多种材料，以完成设计师提出的包括类动物结构在内的各种复杂的设计。例如，Ninjaflex，以其高灵活性可以用来制造类似于皮肤或肌肉的外部结构，将其与尼龙相结合，即可用于保护内部的重要部件，如胸腔。
在新型机器人中，顶部半球被打印为单个部件，但从如橡胶般具有弹性的外部到刚性极强的内部，这一半球一共具有9层刚度不等的结构。这使得它具有为避免受到着陆影响而必需的力度和韧性。通过3D打印技术，以及对利用不同种类材料组合而成的多个版本的机器人所进行的试验，工程师意识到全刚性结构可以跳的更高，但更有可能破碎，所以需要更灵活的外壳。
一旦机器人拥有像人或动物一样的技能，即能够完成诸如爬楼梯、自主导航和操作对象等在内的更多任务时，它们将更进一步融入我们的日常生活。而这一最新的项目充分体现3D打印可以如何帮助工程师，在实现这一目标的道路上设计出并不断检验将其实现的不同方法。
作者简介：
Ahmad Lotfi
诺丁汉特伦特大学（ Nottingham Trent University）智能计算教授
Alyxander May
诺丁汉特伦特大学博士生
（翻译：曾梓浩 审校：海带丝）
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