科學(xué)家開(kāi)發(fā)出蜥虎柔性機(jī)器人，有望實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)等飛行機(jī)器人穩(wěn)定著陸

近日，科學(xué)家受亞洲蜥虎尾巴擺動(dòng)的啟發(fā)，研發(fā)出兩個(gè)仿生蜥虎柔性機(jī)器人，有望為無(wú)人機(jī)等飛行機(jī)器人平穩(wěn)且安全地降落起到關(guān)鍵作用。

亞洲蜥虎軟體機(jī)器人模擬

相關(guān)論文以《尾巴使滑動(dòng)壁虎頭朝下撞到樹(shù)干以穩(wěn)定著陸》為題發(fā)表，由德國(guó)馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所教授阿迪安·朱蘇菲擔(dān)任通訊作者。

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迄今為止，在鳥(niǎo)類(lèi)、蝙蝠和許多昆蟲(chóng)等動(dòng)力飛行中，著陸力可能遠(yuǎn)低于起飛力，著陸前速度的降低主要靠翅膀?qū)崿F(xiàn)。對(duì)于松鼠、蜥蜴和青蛙這樣沒(méi)有翅膀的動(dòng)物而言，著陸時(shí)會(huì)受到巨大的地面滑翔力，它們以相對(duì)較高的速度轉(zhuǎn)向著陸目標(biāo)。

相比之下，該團(tuán)隊(duì)研究的亞洲蜥虎與大多數(shù)滑翔機(jī)相比具有非常高的翼載荷。通過(guò)記錄滑翔軌跡，該團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)，亞洲蜥虎滑翔角的陡峭程度大約是蜥蜴等特殊滑翔機(jī)的兩倍，滑翔比是其他動(dòng)物的一半。

不同的物種從空中向垂直地面著落時(shí)，都有自己獨(dú)特的方式。該團(tuán)隊(duì)主要對(duì)生活在東南亞雨林中的蜥虎進(jìn)行了量化分析，用相機(jī)記錄了亞洲蜥虎在高速滑翔時(shí)的動(dòng)作軌跡，發(fā)現(xiàn)亞洲蜥虎身體與樹(shù)干接觸之前并未減速，而是通過(guò)調(diào)節(jié)頭部撞擊、軀體接觸角度和尾巴擺動(dòng)的行為防止摔落。

亞洲蜥虎從高架平臺(tái)跳躍到樹(shù)枝的軌跡

亞洲蜥虎在樹(shù)枝上降落的軌跡變化

該團(tuán)隊(duì)采用分組實(shí)驗(yàn)法，進(jìn)一步探索亞洲蜥虎的平穩(wěn)著落是否與“尾巴的擺動(dòng)”密切相關(guān)。研究人員選取了30只亞洲蜥虎樣本，觀察它們從森林某個(gè)位置向樹(shù)木跳躍的過(guò)程，再用更高精度的相機(jī)記錄了其中16只亞洲蜥虎向下跳躍的軌跡。

亞洲蜥虎的著陸過(guò)程可以分為五個(gè)階段。首先，亞洲蜥虎跳躍到目標(biāo)位置時(shí)，身體需向上傾斜僅16度±8.4度。當(dāng)這一動(dòng)作完成從空中下落時(shí)，亞洲蜥虎頭部和軀干前部開(kāi)始接觸并進(jìn)行動(dòng)能轉(zhuǎn)移，頭部和軀干的碰撞增加了角動(dòng)量，使得軀干向樹(shù)干下方移動(dòng)。

接下來(lái)，亞洲蜥虎后腿接觸垂直樹(shù)枝表面，它沒(méi)有從樹(shù)上滑向森林地面，而是在腹側(cè)方向拱起后腿。在第四階段，前腳開(kāi)始超過(guò)附著的樹(shù)枝與樹(shù)枝脫離。在最后階段，亞洲蜥虎將尾巴壓在樹(shù)上后仰，身體部位開(kāi)始向后旋轉(zhuǎn)離開(kāi)著力點(diǎn)。

頭部最先撞擊樹(shù)枝會(huì)給亞洲蜥虎帶來(lái)較大的俯仰角動(dòng)能，它可以通過(guò)尾巴的擺動(dòng)產(chǎn)生長(zhǎng)臂力，使蜥虎的身體通過(guò)向后傾斜以逐漸對(duì)沖這種動(dòng)力，并最終以較小的力量成功著陸。該團(tuán)隊(duì)將這種特別的動(dòng)作稱(chēng)為“防墜落反應(yīng)”。

結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)三種情況，大部分亞洲蜥虎可以穩(wěn)定地降落在樹(shù)枝上，少部分亞洲蜥虎因?yàn)闆](méi)有控制好平衡被滑落地面，尤其是沒(méi)有尾巴的亞洲蜥虎，即便能短暫地停留，但最后還是未能平穩(wěn)著落在樹(shù)枝上。

于是，科學(xué)家大膽設(shè)想，亞洲蜥虎從高處向下跳躍能否平穩(wěn)著落，“尾巴的擺動(dòng)”是阻止其摔落的核心因素。因此，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了兩個(gè)與亞洲蜥虎機(jī)構(gòu)類(lèi)似的軟體機(jī)器人，對(duì)這一設(shè)想進(jìn)一步驗(yàn)證。

亞洲蜥虎軟體機(jī)器人模擬實(shí)驗(yàn)

亞洲蜥虎軟體機(jī)器人模擬實(shí)驗(yàn)

亞洲蜥虎軟體機(jī)器人的頭部能以6.0m/s±0.9m/s著陸速度先碰撞彈道短程俯沖。在著陸的過(guò)程中姿勢(shì)不斷變化，接近著力點(diǎn)時(shí)，逐漸向上傾斜，在53度±5.8度保持恒定。通過(guò)滑翔持續(xù)時(shí)間的速度圖譜，能看到它們接近樹(shù)枝著力的目標(biāo)時(shí)，亞洲蜥壁虎降低了速度，嘗試穩(wěn)定著陸。

帶尾巴的機(jī)器人著陸俯仰行為

由于缺乏專(zhuān)門(mén)的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)，21只壁虎中有4只在撞擊時(shí)仍在加速。因此，亞洲蜥虎在著陸前將速度降低60%，避免在高速著陸時(shí)增加受傷或墜落到森林地面的風(fēng)險(xiǎn)。

在蜥虎軟體機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)中可以觀察到成功和失敗著陸現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)模型中所表征的失敗著陸情況不受俯仰的控制，后腳與著力點(diǎn)接觸喪失。俯仰使蜥虎軟體機(jī)器人模型能夠更加緩慢、更小地消耗在著陸初始階段獲得的角動(dòng)量，因此滑翔動(dòng)力能的逐漸完全減速和吸收比沒(méi)有俯仰和部分脫離著陸表面的可能性更大。

該團(tuán)隊(duì)的蜥虎軟體機(jī)器人物理模型實(shí)驗(yàn)演示，證明了通過(guò)機(jī)械調(diào)?？稍鰪?qiáng)著陸的穩(wěn)定性，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)等飛行機(jī)器人在垂直的地面上穩(wěn)定且安全地降落。（摘自美《深科技》） （編輯/多洛米）