机器人的弹跳能力比移动能力更有用吗?--中国数字科技馆
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机器人的弹跳能力比移动能力更有用吗?

机器人的弹跳能力比移动能力更有用吗?(科学播报) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-06-11
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鸟类的起跳动作可以应用到新型机器人的开发中(图片来源:pixabay)

  在自然界中,鸟类其实拥有非常优秀的弹跳能力。每当鸟类准备起飞时,它们会将身体略微向后转动,避免直接前倾而栽倒在地,然后向前跃起。鸟类的腿部关节非常发达,可以蓄力跳出足以起飞的距离,不会立即摔落。这些行为和动作给了研究者许多启发。

  最近,来自英国曼彻斯特大学的研究人员就仔细观察并分析了鸟类的这些起跳动作,并且进一步在计算机上进行了数值模拟。研究人员指出,这些灵巧的动作完全可以应用到现阶段新型机器人的研发当中,这样设计出的机器人将会拥有更高的机动性。我们通常见到的机器人大部分都由轮子驱动,这些机器人能够方便地利用轮子进行移动和转向。而曼彻斯特大学的研究人员则认为,拥有弹跳能力的机器人会比这些传统机器人更加灵活和高效。

  相关研究已经发表在了《英国皇家学会开放科学》期刊上。应用生物力学,研究人员试图设计出能像鸟类一样跳跃的机器人。

鸟类起跳动作示意图(图片来源:见参考文献)

  在机器人的腿部构造中,我们通常可以见到一种以轮轴系统为主的设计,另一种较为少见的则是弹簧和制动杆的组合。轮轴系统顾名思义就是由“轮”和“轴”组成的系统,该系统能绕共轴线旋转,相当于以轴心为支点,半径为杆的杠杆系统。轮轴二者一起旋转,力可以在轮轴之间相互传递,这种设计更加强调机器人的移动能力。

  而弹簧和制动杆的组合,或者称为弹簧和制动器,是具有使运动部件减速、停止或保持停止状态等功能的装置。制动器可以使机械中的运动部件停止或减速,利用这个特性,机器人可以模拟出鸟类的起跳动作。研究人员认为,弹簧和制动杆的组合在加速效率等方面都要优于传统的轮轴系统。

  不同于传统的轮轴驱动机器人,弹跳能力更强的机器人将可以解决机动性受限的问题。新型机器人可以在复杂的环境中,跳过各种阻碍前进的障碍物,同时保持自身的平衡和稳定。另一方面,如果配合推进装置,这类新型机器人还将能以最高的效率发射升空。通常来说,设备要起飞必须依赖于跑道或是平坦的地面,而通过模仿鸟类的起飞动作,新型机器人可以无视地形限制,随时随地起飞。

不仅是鸟类,许多动物也都在弹跳能力上具有极大的优势(图片来源:pixabay)

  当然,设计中依然有许多无法回避的问题。首先,动物自身生物结构的精密性是机械较难模仿的。在同样的动作原理下,机械装置需要占用更大的体积和更复杂的零件结构才能实现最初级的动作还原。即便是采用同等规模的电力设备或是其他装置,在这个层面上,人类技术还是无法完全模拟出自然界构造所具有的复杂度。

  其次,设计的成功与否很大程度上取决于新型材料的应用。如果在材料科学领域没有得到所需的突破性进展,那么所有设计也很难做到理论上的效果。这也是许多仿生学研究的困境。对于这项研究来说,当它实际应用到工程设计中,设计者可能就需要一些高强度的特殊材料,用于避免加速过程中产生结构上的损坏。

  自然界中不仅仅是鸟类,许多动物也都在弹跳能力上具有极大的优势,例如猫、蜘蛛、蜜蜂等等。弹跳加速的爆发力非常惊人,而过去人们却对这一方面的仿生学应用甚少。如果我们能够对此加以研究,也许就能拥有不一样的发现。在机器人设计上,或许我们应该抛开轮轴系统影响下的平移思路,设计出更多可以在空间里自由移动的机器人。不仅仅是机械作业,在未来太空探索的道路上,这些擅长弹跳、能够随处起飞升空的机器人必定能够发挥出巨大的作用。

  

原创稿件

制作 叶鹏飞

审校 赵峥 北京师范大学物理系教授

参考文献:Parslew, B., Sivalingam, G., & Crowther, W. (2018). A dynamics and stability framework for avian jumping take-off. Royal Society Open Science, 5, 181544.


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