仿生机器人行走、游泳、滑行和飞行

灵感可以来自任何地方。对拉迪卡·纳格帕尔(Radhika Nagpal)来说，它来自她的蜜月。

纳格帕尔在巴哈马群岛浮潜时，一群五颜六色的条纹鱼向她靠近，它们一起游动。“它们径直朝你走来，打量你一下，然后就走开了，”新泽西州普林斯顿大学的机械工程师纳格帕尔说。“我当时就想，‘哇，这是我从未见过的集体行为。’”

自然展望:机器人和人工智能的一部分

多年后，当她考虑如何建造一群机器人，让它们在充满挑战的环境中协调行为时，她的思绪又回到了那些好奇的鱼身上。研究结果是一群名为“蓝机器人”的机器鱼，它们可以与同伴协调活动¹．

纳格帕尔的鱼群很小，只有十只能力有限的鱼。这些鱼身上装有蓝色led灯，这样它们的同伴就能在水下发现它们。它们编程中的一些简单规则，比如当它们看到另一个蓝机器人时就向左游，使它们能够同步自己的动作。但纳格帕尔希望最终建立更大的集体，拥有更复杂的行为。

这种机器人学校的任务是定位和记录珊瑚礁的数据，帮助研究人员研究珊瑚礁随着时间的推移的健康状况。就像鱼群中的活鱼可能同时从事不同的行为——一些交配，一些照顾幼鱼，另一些寻找食物——但当捕食者靠近时，机器鱼会突然一起移动，当该做不同的事情时，机器鱼必须执行单独的任务，同时相互交流。

“我的实验室真正关注的主要是协调技术——自然界中进化出的哪种算法能使系统协同工作?她说。

许多机器人专家在机器人设计中寻找生物学的灵感，特别是在运动领域。例如，尽管汽车工厂中的大型工业机器人仍然固定在原地，但如果其他机器人能够在世界各地移动，执行不同的任务并协调它们的行为，它们将更有用。

一些机器人已经可以在轮子上移动，但轮式机器人不能爬楼梯，而且会受到粗糙或移动地形的阻碍，如沙子或碎石。通过借鉴大自然的运动策略——行走、爬行、游泳、滑行、飞行或跳跃——机器人可以获得新的功能。他们可能在地震后执行搜救行动，或探索那些太小或不稳定的洞穴，人们无法冒险进入。他们可以对船只和桥梁进行水下检查。而无人机(uav)可以更高效地飞行，更好地应对湍流。

加州大学圣地亚哥分校生物仿生机器人与设计实验室的机械工程师迈克尔·托利(Michael Tolley)说:“我们的基本想法是向大自然寻求可能的不同做法，看看我们如何改进我们的自动化系统。”

参见Spot run

也许机器人运动最明显的策略是走路，有腿的机器人确实存在。“点点”是一个低矮的、四条腿的机器，看起来像一只无头的黄色狗，它可以爬上山和走楼梯。它的开发商，位于马萨诸塞州沃尔瑟姆的波士顿动力公司，在市场上推销这款价值74,500美元的设备，用于工厂、建筑工地和危险环境的移动检查。位于剑桥的麻省理工学院(MIT)研发了一款外形相似的机器人——迷你猎豹(Mini Cheetah)。“超过90%的陆地动物是四足动物，”麻省理工学院的机械工程师Sangbae Kim说，他帮助设计了迷你猎豹。“所以一个自然的地方是观察四足动物的世界。就速度而言，猎豹堪称世界之王。”

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迷你猎豹已经可以进行后空翻了，它的速度可以达到每秒3.9米——大约是真正的猎豹的十分之一，但对于机器人来说已经快了。现在金正在开发控制软件，他希望能让机器人在不同的表面上平稳移动。这是具有挑战性的，因为如何最好地移动肢体的规则取决于摩擦和表面硬度。目前，从草地上走到混凝土上，或者跑上碎石山，都可能导致机器人摔倒。“它运行起来真的很丑陋和尴尬，”金说。“它不会掉下来，但效率不高。”

然而，四足机器人是克服困难地形的更好选择之一，J.肖恩·亨伯特说，他是科罗拉多大学博尔德分校生物感知和机器人实验室的机械工程师。去年，他的团队参加了美国国防高级研究计划局(US Defense Advanced Research Projects Agency)的地下挑战(underground Challenge)，机器人的任务是在隧道、洞穴和城市环境中导航，以找到特定目标;该队获得第三名，赢得50万美元。亨伯特说:“在整个团队中，最终表现非常出色的是有腿机器人。”但面对沙质、上坡、多岩石的地形，这些机器人很困难。他说:“就连我们的Spot机器人都翻倒了，到处打滑。”

感受压力

亨伯特说，一个可能的解决方案是赋予机器人动物与生俱来的感知和反应机械感觉信息的能力，如压力、应变或振动。他已经在飞行器上采用了这种方法，将应变传感器嵌入固定翼无人机的机翼，以及依靠旋转叶片飞行和悬停的四旋翼无人机的臂部。

这项工作源于对蜜蜂的研究。当亨伯特把蜜蜂放在风洞里，用突然的气流撞击它们时，它们的飞行会暂时受到干扰。在翅膀拍打的模式迅速改变后，它们就会恢复正常。蜜蜂每秒钟拍打翅膀251次，而这些动物只需要15到20次就能做出调整——大约0.08秒。“我们的结论是，[那]一定是机械感觉信息，”亨伯特说。“视力不够快，无法纠正我们看到的旋转。”他说，如果一架无人机能同样感知到干扰，并能如此迅速地自动纠正，那么它坠毁或偏离轨道的可能性就会大大降低。

鱼也对机械感觉刺激有反应，它使用一种被称为侧线的感觉器官系统。这种结构由沿头部、躯干和尾鳍分布的数百个微型传感器组成，它使鱼能够感知由岩石和其他动物等障碍物引起的运动和水压力的变化。纳格帕尔说:“鱼能感知所有这些，并利用这些以及视觉来相对于彼此定位自己。”目前还没有类似的水下压力传感器，但她的团队希望开发一个来改善蓝色机器人的导航。

在圣地亚哥，托利正在探索由聚合物或其他柔韧材料制成的机器人，这些机器人可以更安全地与人类互动，或在狭窄的空间中挤进。软软的、柔韧的机器人可以比只有几个关节的硬机器人有更灵活的动作，但让它们用柔软的腿走路是一个挑战。

托利设计了一个机器人，它有四条柔软的腿，每条腿分成三个腔室²．加压空气首先进入一个腔室，然后移到下一个腔室。这个动作使腿弯曲，然后放松。通过交替激活相反的双腿，机器人可以像乌龟一样爬行。因为它不需要电子控制，它的设计即使在电磁干扰存在的情况下也是有用的。

无论是硬的还是软的，机器人都很难解决的一个问题是摔倒。如果一个价值数百万美元的机器人被火星上的一块岩石绊倒，整个任务可能会受到威胁。一些研究人员正在从昆虫身上寻找解决方案，特别是咔嗒虫，这种昆虫不使用腿就能跳到体长20倍的高度^3.．

甲虫用肌肉压缩软组织，积聚能量;锁存系统将压缩的组织固定在适当的位置。当甲虫松开门闩，发出它特有的咔哒声时，组织迅速膨胀，甲虫被发射到空中，加速速度约为重力的530倍。(相比之下，乘坐过山车的人通常会受到大约四倍的重力。)如果一个机器人能做到这一点，它就会有一个在翻倒后自我纠正的机制，艾米·维斯萨(Aimy Wissa)说，他是一名机械和航空航天工程师，管理着普林斯顿生物灵感适应形态学实验室(Bio-inspired Adaptive形态学Lab)。

维斯萨说，更有趣的是，这种甲虫可以连续快速地进行四到五次这种动作，而不会受到任何明显的伤害。她正试图开发模型，解释能量是如何在不伤害昆虫的情况下迅速消散的，这可能在涉及快速加速和减速的应用中被证明是有用的，比如防弹背心。其他生物也会储存和释放能量以引发快速运动，包括果蝇幼虫和捕蝇草(捕蝇草属muscipula托利说，了解它们是如何做到这一点的，可以让人造肌肉反应更灵敏。

完全无腿的

在一些地方，如狭窄的地下通道或不稳定的表面，腿可能需要太多的空间或太不稳定，无法推动机器人。宾夕法尼亚州匹兹堡市卡耐基梅隆大学机器人研究所的计算机科学家豪伊·乔塞特(Howie Choset)制造了具有16个关节的蛇形机器人，这些关节可以提供一系列的运动，可以驱动从外科手术器械穿过身体到探索考古遗址的侦察机器人等一切东西。

在早期的一个项目中，乔塞特把他的机器蛇带到红海，古埃及人在那里挖洞存放他们建造的船只，用来与庞特国(据信位于现代索马里)进行贸易。洞穴对人类探险者来说不再安全，但蛇机器人似乎很适合这项任务——直到它们不适合。乔塞特说:“事实是，我们陷入了困境。“我们不能在沙质斜坡上上下走。”

为了弄清楚真正的蛇是如何解决这个问题的，乔塞特研究了响尾蛇。响尾蛇的移动方式是将身体侧向，呈s型曲线，在沙地上轻松滑翔⁴．因为沙子是颗粒状的，它可以表现为液体或固体，这取决于施加多大的力。乔塞特发现，响尾蛇可以施加适当的推力，使它们身下的沙子保持固体，并支撑它们的身体。“直到我们开始观察真正的蛇，响尾蛇，以及它们是如何在沙地上移动的，我们才能够理解如何让我们的机器人在沙地上工作，”他说。

至于威萨，她正试图制造既能游泳又能飞的机器人，灵感来自一种既能游泳又能飞的动物:飞鱼⁵．这些生物用它们的腹鳍掠过水面，然后飞入空中，在那里它们可以滑翔400米。

威萨解释说，飞鱼“实际上是非常好的滑翔者”。但当它们掉回水中时，它们不会被淹没。威萨说:“它们实际上只蘸一下尾鳍，用力拍打，然后就可以再次起飞了。”“你可以认为这是一种滑行策略。”她希望对这种行为有足够的了解，从而开发出一种可以在空气和水中使用相同的推进机制移动的机器人。“作为工程师，我们非常擅长为单一功能设计东西，”韦萨说。“大自然真正能给我们很多教训的地方是多功能的概念。”

至于另一种多功能运动，Wissa专注于蚱蜢，它们可以跳跃，然后张开翅膀滑翔。她希望了解是什么让它们滑翔得如此出色。许多其他昆虫依靠高频拍打来飞行。她说，也许这与它们翅膀的形状有关。

威萨也从鸟类身上寻找灵感。她利用空气动力学测试和结构建模来研究隐蔽羽毛——在鸟类翅膀和尾巴上与其他羽毛重叠的小而硬的羽毛⁶．当鸟类试图在有风的条件下着陆时，翅膀上隐蔽的羽毛会展开，或被动地响应气流，或在肌腱的控制下主动展开。隐蔽的羽毛改变了翅膀的形状，使鸟类更好地控制与空气流动的相互作用，而且不需要像拍打整个翅膀那样多的能量。通过了解这些羽毛的物理特性，威萨希望能提高无人机的飞行性能。

双向通道

生物学为机器人技术提供了信息，但所涉及的工程学也可以为动物运动学提供见解。乔塞特说:“我们并没有从研究生物学开始。相反，他对他感兴趣的运动的基本原理进行了数学建模。“在这样做的过程中，神奇的事情发生了——我们开始想出解释生物学是如何工作的方法。所以，这是机器人启发的生物学还是生物启发的机器人?”

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其他工程师也有类似的经历。纳格帕尔正在与剑桥哈佛大学的鱼类学家乔治·劳德(George Lauder)合作，建立鱼群游动的流体动力学模型，以观察鱼群的形成是否为活鱼提供能量。让无人机以更节能的方式飞行的设计可能有助于解释鸟类和昆虫是如何进化到做类似的事情的。Wissa希望她的工作，除了建造会飞、会游泳的机器人，还能让人们对飞鱼有更多的了解。“我们正在使用这个模型来测试关于自然的假设，关于为什么一些飞鱼的腹鳍增大而另一些没有，”威萨说。

但是，尽管生物学和工程学之间有联系，不要指望仿生机器人最终看起来像影响它们的生物。Wissa说，尽管许多模仿生物的最初尝试都是为了模仿原始的生物形态，但科学家的最终目标是了解系统运作背后的原理，然后将这些原理应用于不同的结构和材料。她说:“我们只是复制物理和事物运作的规则，然后制作具有相同功能的工程系统。”