近日，耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio教（jiāo）授课题组从陆生和水生乌龟身（shēn）上得到的灵感，运用了"适应性形态发生"的设计策略，建造了一个机器人，它融合了传（chuán）统的刚性部（bù）件（jiàn）和软（ruǎn）性材料，从根本（běn）上增（zēng）强了其四肢的（de）形状，并（bìng）为多环境的运动改变（biàn）了其步态。步态、肢体（tǐ）形状（zhuàng）和环境介质的相互作（zuò）用证实（shí）了控（kòng）制机器人（rén）运输成本的重要参数。结果证明，自适应形态发生是（shì）提（tí）高移（yí）动机器人遇到非结构化、不断（duàn）变化的环境（jìng）的（de）效率的有（yǒu）力方法。相（xiàng）关成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题发表在最（zuì）新一期Nature上，并作为Nature封面。

作者认为，一个机器人可以（yǐ）通（tōng）过"适（shì）应性形态发生"来实现跨（kuà）环境运动的（de）专业化：通过统一的结构和驱动系统来实现适应（yīng）性形态和行为。为此，作（zuò）者（zhě）合并了水生和陆生运（yùn）动（dòng）的专门形态特（tè）征创造了（le）两（liǎng）栖机器人龟（guī）（ART）（图1a）。通过一个单一的类似乌龟（guī）的身体计划（huá），ART通过刺激响（xiǎng）应的软（ruǎn）材料和传（chuán）统的机器人组件的结合，采用了（le）自适（shì）应的（de）形态发生。使用（yòng）可变刚度的（de）复合材料（图1b），在（zài）一（yī）系列步（bù）态的配合（hé）下，ART能够在水下（xià）游泳，在水面上游泳，在（zài）各种基质上运动，以（yǐ）及在（zài）陆地和水之间过渡。

图1：海龟启（qǐ）发（fā）的两栖机（jī）器人（rén）

 

ART的身体有一（yī）个变形（xíng）肢体，能够根（gēn）据环境调整其（qí）硬度和（hé）形（xíng）状，完全集成到机器（qì）人结构中，以获得测试（shì）的效率。身体包括（kuò）四个子系统：底盘、外壳、肩（jiān）关节和（hé）变（biàn）形（xíng）肢（zhī）体。底盘容纳（nà）电子（zǐ）元件，外壳（ké）提供流线型、用（yòng）于浮力调整的（de）压载空间、有效载荷存（cún）储和保护。肩部关节在（zài）运动学配置（zhì）中各（gè）有三个马达，以实（shí）现一系列的步态（图1c）。由一对拮据的气动执行（háng）器组（zǔ）成的变形肢体与（yǔ）粘附（fù）在热固性聚合物上的应变限制层连接到（dào）每个肩关节。通过嵌入的加热器（qì）加热热固性材料使其（qí）软化（huà），并给气动推杆充（chōng）气，使肢体的横截面（miàn）积和硬度发生（shēng）变化。这些变化使ART的肢（zhī）体能够在（zài）有利（lì）于行（háng）走（zǒu）的圆柱形几何形状和（hé）有利于游泳（yǒng）的平鳍几何形状之间进行适应性变形。在水中测试时（shí），ART的浮力可调整为表面和（hé）水（shuǐ）下游泳（yǒng）（图2a）。随着四肢变形为脚蹼（pǔ）模式，作者研（yán）究了划水和拍打（dǎ）运动（dòng）。划水（shuǐ）步态是一（yī）个相对于机器（qì）人身体（tǐ）向后的划水动作，随后（hòu）是（shì）一个向前（qián）和向背的羽化恢复动作。拍打步（bù）态的特点（diǎn）是由连续（xù）的上（shàng）冲和下冲组成的垂直（zhí）运动（dòng）轮廓。通过将（jiāng）ART固定在（zài）一个（gè）多轴负（fù）荷传感（gǎn）器上获得（dé）的向前（Fx）和向上（Fz）的方（fāng）向（xiàng）力，阐明（míng）了划水和（hé）最佳拍打步态之间的COT差异（图2c，d）。Fx的（de）图表（biǎo）表明，在划水步态的恢复（fù）部分产生了反作（zuò）用力，导致ART明显减速或向后移动（图2c）。只（zhī）有27%的划水（shuǐ）动作构（gòu）成了生产性推力（lì）。在拍打步态的下冲过程中，ART也会减速，但在95%的（de）冲程（chéng）中保持有成效的Fx推（tuī）力（图2d）。

 

接（jiē）着作者在瓷片、混凝（níng）土和花岗岩为代表室外（wài）城（chéng）市（shì）环境的基质上评（píng）估了（le）陆地运动策略。作（zuò）者实（shí）施了一种静（jìng）态稳定的爬行步（bù）态（tài），当爬行时，ART每次只有一个肢体（tǐ）离开地面，同时逐步（bù）转动其身体向前移动（图3a,b）。ART的左后肢（zhī）远端在不同基质上匍匐前进时的三维运动捕捉（zhuō）显示（shì）了一（yī）致的扫动轨迹和步长，验证（zhèng）了该步态（tài）的有效性（xìng）（图3c）。同时运动捕捉数据也帮助解释不同（tóng）基质的COT差异。Z轴数据投影（z*）包含（1）当ART摆动腿部进（jìn）行踏步阶段（duàn）时的急剧增加），以及（jí）（2）与（yǔ）地形相互作用相应的振（zhèn）动特征（图3d）。z轴数据在步（bù）态周（zhōu）期中的漂移表明ART行走时（shí）腿部逐渐（jiàn）伸展或收拢。作者计算了z轴数据与理想的、完全（quán）稳（wěn）定的（de）轨迹（z）的（de）偏差，在这个过程中，ART的肢体将完全与地面接触，COT和S之间的正相关关系（xì）强调了与基体保持无滑移接触（chù）的重要性（图3e），与基体有关的（de）滑移可归因于摩擦和（hé）地（dì）形特征。

 

作者（zhě）选择了类似于海（hǎi）滩海龟运动的爬行（háng）步态作为（wéi）在过渡基质上的运动方式。当（dāng）爬行时，ART躺在腹（fù）部（bù），同时利用前后肢体串联，略微向上抬起，并向（xiàng）后（hòu）推，以（yǐ）实现向前推（tuī）进（图4a、b）。爬行可以分散（sàn）机器人的重量，减轻灾（zāi）难性（xìng）的滑行，并防止在运动过程中被困住。通过爬（pá）行（háng），ART能够成功穿越两种过渡地形，其COT值比（bǐ）在陆地上爬行时高出（chū）140%。作者还做了基质和（hé）ART的组成材料之间进行了摩擦试验，以解释爬行时的COT升高。结果显示，外壳的COT与静态摩（mó）擦系数（μ）之间（jiān）呈正（zhèng）相（xiàng）关（guān），而肢体（tǐ）材料的COT与μ之间呈负相关（图（tú）4c），这表明支配COT的（de）主要力学因素（sù）是ART的甲壳沿基质的（de）滑动。

 

作者将（jiāng）ART在水中、陆地上（图5a,b）和过渡基质上的运（yùn）动策略结合（hé）起来，创造了一个从陆地到水生的过渡路线（图5c）。过渡地点由一（yī）个海（hǎi）洋入口组成（chéng），那（nà）里（lǐ）有（yǒu）坚硬的鹅卵石（shí）土壤，流向潮（cháo）湿的（de）沙（shā）质（zhì）区域，然后变（biàn）成布满岩石（shí）和植（zhí）物的浅（qiǎn）滩。ART使用腿（tuǐ）部模（mó）式和匍（pú）匐前（qián）进的（de）方式来（lái）穿越坚硬的土壤（rǎng）部（bù）分。当ART接近水（shuǐ）面时（shí），基质变得更（gèng）加（jiā）饱和（hé），它开始爬行，以（yǐ）确保稳定性，防止（zhǐ）直立步态的（de）集中点负荷深入（rù）到（dào）基质中。ART并没有在开阔的水面（miàn）上走很远（yuǎn），在变（biàn）形之前（qián），它把（bǎ）四肢抬出水面。当它在浅水区仅部分被淹没时，它依靠划（huá）水（shuǐ）来游泳。ART记录了它在运（yùn）输过（guò）程中的环境，对其（qí）周围（wéi）环（huán）境（jìng）造成的（de）破坏很（hěn）小（xiǎo）。ART的最小COT性能与（yǔ）许多陆生和水生动物（wù）和机器人的性能进行了比较（图5d）。由于专（zhuān）门（mén）针对多种环境，ART的表（biǎo）现与最先进的单模态水（shuǐ）生（shēng）或陆生机器人相近，在某些情况下甚至超过了后（hòu）者。最重要的是，ART可以在非（fēi）结构化的环境中过渡，同时（shí）保持与单模态机器人相当（dāng）或更（gèng）好的性能。

 

小结（jié）：在非结（jié）构化的动态环（huán）境中，例如陆地到水的过渡，作者发（fā）现（xiàn）将（jiāng）身体形状和行（háng）为视为可以调整的（de）变（biàn）量（liàng）的机器人设计可（kě）以提高效率。更（gèng）广泛的含（hán）义（yì）是，未来的机器人（rén）可以使用自适（shì）应形态发生来专业化（huà），而不（bú）仅仅是一个环境，而是多个环境。