現(xiàn)今的四足機器人在運動能力方面已經(jīng)取得顯著進步，但與自然界的動物相比，還存在一定的差距。
動物們能夠高效地利用其軀干來增強運動能力，比如貓科動物能通過扭轉(zhuǎn)身體順利通過曲折地形，以及通過軀干儲存和釋放能量，實現(xiàn)快速移動和靈活轉(zhuǎn)變方向。
近日，在一項研究德國慕尼黑工業(yè)大學邴振山博士和所在團隊首次揭示了柔性脊柱在提升足式機器人運動能力方面的重要性。
圖 | 邴振山（來源：邴振山）
他們設(shè)計并開發(fā)了一款帶有柔性脊柱的老鼠型機器人，并開發(fā)了一系列基于脊柱的機器人運動步態(tài)和控制算法。通過實驗，他們驗證了脊柱在提升機器人運動能力，包括穩(wěn)定性、速度和轉(zhuǎn)彎能力方面的重要作用。
本次研究得到了三位審稿人的高度評價與認可。其中一位審稿人對他們的工作表示極大的贊賞，認為這項成果在仿生四足機器人研究領(lǐng)域具有巨大潛力，論文也突顯了本次工作在未來足式機器人發(fā)展方向上的重要影響，以及柔性脊柱在提升機器人性能方面的關(guān)鍵作用。
第二位審稿人提供了具體的修改建議，例如增加與優(yōu)化后的基于模型的控制器和剛性脊柱版本的機器人進行比較的內(nèi)容。
第三位審稿人則對他們設(shè)計的柔性脊柱結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式表示贊賞，特別是通過 3D 打印技術(shù)制造的復(fù)雜軀干結(jié)構(gòu)，以及通過精巧設(shè)計實現(xiàn)的機器人脊柱的柔性和強度。
此外，審稿人還肯定了他們采用繩驅(qū)動方式對機器人結(jié)構(gòu)進行的合理優(yōu)化。
老鼠機器人的潛在應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在復(fù)雜狹小地形的災(zāi)后救援、探測檢修等任務(wù)上。這與生物學家利用訓練過的非洲大鼠進行類似任務(wù)的現(xiàn)實情況相呼應(yīng)。
例如，有的生物學家已經(jīng)通過在大鼠身上安裝攝像頭模組，并通過訓練來控制其運動，從而使它們能夠執(zhí)行探測和偵察等特殊任務(wù)。
老鼠機器人與生物大鼠的主要區(qū)別在于它們無需經(jīng)過訓練即可執(zhí)行任務(wù)。這些機器人可以自主操作或在操作人員的操控下完成相關(guān)任務(wù)。
這意味著在執(zhí)行災(zāi)后救援、排雷等任務(wù)時，老鼠機器人能夠提供更高的靈活性和可控性，同時減少對實際動物的依賴和潛在風險。
“在這項研究過程中，最引人入勝的部分無疑是實驗結(jié)果證實了理論假設(shè)和控制模型。當然，這個過程同樣伴隨著諸多困難和挑戰(zhàn)。”研究人員表示。
由于機器人的高度定制化，測試過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種硬件故障。課題組不得不頻繁加班，不斷在“測試-故障-維修”的循環(huán)中努力。
然而，通過不懈的嘗試和反復(fù)實驗，他們最終通過詳細的實驗和數(shù)據(jù)驗證了柔性脊柱在提升足式機器人運動能力方面的重要作用。
（來源：Science Robotics）
最終，相關(guān)論文以《柔性脊柱的側(cè)屈改善仿生小鼠機器人的運動性能》（Lateral flexion of a compliant spine improves motor performance in a bioinspired mouse robot）為題發(fā)在 Science Robotics[1]。
邴振山是第一作者兼通訊作者，中山大學 Kai Huang 博士和慕尼黑工業(yè)大學阿洛伊斯諾爾（Alois Knoll）擔任共同通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Science Robotics）
未來，他們將繼續(xù)深入研究柔性脊柱在足式機器人運動中的作用。在目前的工作中，他們主要關(guān)注了脊柱橫向擺動的效果。
接下來，他們打算探索柔性脊柱在縱向平面內(nèi)擺動對機器人運動能力的影響。
同時，這個新的研究方向?qū)⒂兄谒麄兏娴乩斫馊嵝约怪倪\動學和動力學特性，以及它如何影響機器人的整體運動效率和靈活性。
通過對脊柱縱向擺動的研究，該團隊期望能夠進一步提升機器人在復(fù)雜地形中的適應(yīng)性和敏捷性，這對于提升其在災(zāi)后救援、偵察探測等應(yīng)用場景中的實用性將是至關(guān)重要的。
對于未來發(fā)展邴振山表示：“下一步我計劃回國工作，在國內(nèi)高校中尋求教職位置。希望能夠在國內(nèi)繼續(xù)老鼠機器人的研究，推動國家機器人技術(shù)進步，并培養(yǎng)機器人相關(guān)人才。”
參考資料：
1.Bing, Z., Rohregger, A., Walter, F., Huang, Y., Lucas, P., Morin, F. O., ... & Knoll, A. (2023). Lateral flexion of a compliant spine improves motor performance in a bioinspired mouse robot.Science Robotics, 8(85), eadg7165.
