近（jìn）日，耶鲁大学（xué）Rebecca Kramer-Bottiglio教（jiāo）授（shòu）课题组（zǔ）从陆生（shēng）和水生乌龟身上得到的灵感，运用（yòng）了"适应性形态发（fā）生（shēng）"的设（shè）计策略，建造了一个机器人（rén），它融合（hé）了传统的刚性部件和软性材料，从根本上增强了其四肢的形状，并为（wéi）多环境的运动改（gǎi）变了（le）其步态。步态、肢体形状和环境介（jiè）质的（de）相互作用证实了控制机器人运输成本的重要参（cān）数（shù）。结果证明，自适（shì）应形态（tài）发（fā）生（shēng）是提高移动机器人遇到非结构化、不断变（biàn）化的（de）环境的（de）效（xiào）率的有力（lì）方法。相关成果以（yǐ）“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题发表在最新一期（qī）Nature上（shàng），并作为Nature封面（miàn）。

作者认为，一个机器（qì）人可以通过"适应（yīng）性形（xíng）态发生（shēng）"来实现跨环境（jìng）运动的专业（yè）化（huà）：通过统（tǒng）一的（de）结构（gòu）和驱动系统来实现（xiàn）适应性形态和行为（wéi）。为此（cǐ），作者（zhě）合并了水生和陆生运动的专门形态（tài）特征创造了两栖（qī）机器人（rén）龟（guī）（ART）（图1a）。通（tōng）过一个单一的类（lèi）似乌（wū）龟的身（shēn）体计划（huá），ART通过刺激响应的（de）软材料和传统的（de）机（jī）器（qì）人组件的结合，采（cǎi）用了自适应的形态（tài）发生。使用可变刚（gāng）度（dù）的复合材料（图1b），在一系列步态的（de）配合下，ART能够在水（shuǐ）下游泳，在（zài）水面上游（yóu）泳，在各种基（jī）质上运（yùn）动，以及在陆地和水之间过（guò）渡（dù）。

图1：海龟启发的两栖机器人

 

ART的身（shēn）体有一个变形肢（zhī）体，能（néng）够（gòu）根据环境（jìng）调整其硬度和形状，完（wán）全集成到机（jī）器人结构中，以获（huò）得（dé）测试的效率。身（shēn）体包括四个子系统：底盘（pán）、外壳、肩关节和变形肢体（tǐ）。底盘（pán）容纳电子元件，外壳提（tí）供流线（xiàn）型、用于浮力调整的（de）压载空间、有效（xiào）载荷（hé）存储和（hé）保护。肩部关节在（zài）运动学配置中各有三个马达，以实现一系列的步态（图（tú）1c）。由（yóu）一对拮据的气动执（zhí）行（háng）器（qì）组成的变（biàn）形肢体（tǐ）与粘附（fù）在热固性聚合物上（shàng）的应变限制（zhì）层连接到每个（gè）肩关节。通过嵌入的（de）加热器（qì）加（jiā）热热固性材料使其软化，并给（gěi）气动推杆充气，使肢体的横截面积（jī）和硬度发生变化。这些变（biàn）化使ART的肢体能够在有（yǒu）利于（yú）行走的圆柱（zhù）形几何形状和有利于（yú）游泳的平鳍（qí）几何（hé）形状之间进行适（shì）应性变（biàn）形（xíng）。在水中测试时（shí），ART的浮力（lì）可（kě）调整（zhěng）为表面（miàn）和水下游泳（图（tú）2a）。随着四肢变形（xíng）为脚蹼（pǔ）模式，作者（zhě）研究了划水（shuǐ）和拍打运动（dòng）。划（huá）水步态是（shì）一个相对于（yú）机（jī）器（qì）人（rén）身（shēn）体向后（hòu）的（de）划（huá）水（shuǐ）动（dòng）作，随后是一（yī）个向前和向背的（de）羽化恢复（fù）动作。拍打步态的特点是由连续的上冲（chōng）和下冲组成的垂直运动轮廓。通过将ART固（gù）定在一个多轴负荷传感器（qì）上获（huò）得的向前（Fx）和向上（Fz）的方（fāng）向力，阐明了划水和最佳拍（pāi）打步态之间的（de）COT差异（图2c，d）。Fx的图表表明，在划水步态的恢复部分产生了反作用力，导致ART明显减速或向后移动（图2c）。只有27%的划水动作构成了生产（chǎn）性推力。在（zài）拍打步态的下冲过程中，ART也会减速（sù），但在95%的冲程中保持有成效的（de）Fx推力（图2d）。

 

接着作（zuò）者在瓷片（piàn）、混凝土和花岗岩为代表室外城市环（huán）境的基质上（shàng）评估了（le）陆地运（yùn）动（dòng）策略。作（zuò）者（zhě）实施了一种静态（tài）稳定的爬行步态，当爬（pá）行时，ART每次只有一个肢体离开地面，同时逐步转（zhuǎn）动其身体向前移动（dòng）（图3a,b）。ART的左后肢远端在（zài）不同基质上匍（pú）匐（fú）前进（jìn）时的（de）三维运动捕捉显示了一致的扫动（dòng）轨迹和（hé）步长（zhǎng），验证了该步态的有效性（图3c）。同时运（yùn）动捕捉数（shù）据（jù）也帮（bāng）助解释不同基质的COT差异。Z轴数据投影（z*）包含（1）当ART摆动腿（tuǐ）部进行踏步（bù）阶段时的急剧增加），以及（2）与地形相互作用相应的振动特（tè）征（zhēng）（图3d）。z轴数据在（zài）步（bù）态（tài）周期（qī）中的漂移表明ART行走（zǒu）时（shí）腿（tuǐ）部（bù）逐渐伸展或收拢。作者计（jì）算了z轴（zhóu）数据与理想的（de）、完全稳定的轨迹（z）的（de）偏差，在这个过（guò）程中，ART的肢体将完全与地面接触（chù），COT和S之间（jiān）的正相关（guān）关系强调（diào）了与基（jī）体保持（chí）无滑移接触的重要性（图3e），与基体有关的滑（huá）移可归因于摩擦（cā）和地形特（tè）征（zhēng）。

 

作者选择了类似于海滩海龟运动的爬行步态（tài）作为在过渡（dù）基质上的运动方式。当爬行时，ART躺在腹（fù）部，同时利用前后肢体串联，略微向上抬（tái）起，并向后（hòu）推，以实现（xiàn）向前（qián）推进（图4a、b）。爬行可以分散机（jī）器（qì）人的（de）重量，减轻灾难性的（de）滑（huá）行，并（bìng）防（fáng）止在运动过程中（zhōng）被困住（zhù）。通过爬行，ART能够成功穿越两种过渡地形，其COT值比在陆地上爬行（háng）时（shí）高出（chū）140%。作者还做了基（jī）质（zhì）和ART的组成材料之间进行了摩（mó）擦（cā）试验，以解释爬行时的（de）COT升高。结果显示，外壳的COT与静态摩擦系数（μ）之间呈正相关，而肢体材料的COT与（yǔ）μ之间呈负（fù）相关（图4c），这表明支配COT的主要力学因素是ART的甲壳（ké）沿基质（zhì）的滑动（dòng）。

 

作者将ART在水中、陆地（dì）上（图5a,b）和过渡基质（zhì）上的运动策略结合（hé）起来（lái），创造了一个从（cóng）陆地到（dào）水生的过（guò）渡路（lù）线（xiàn）（图5c）。过渡地（dì）点（diǎn）由一个海洋入口组成，那（nà）里有坚硬的鹅（é）卵石（shí）土壤，流向潮湿的沙质区域（yù），然后变成（chéng）布满岩石（shí）和植物的浅滩。ART使用腿部（bù）模（mó）式（shì）和匍匐前进的方（fāng）式来穿越坚硬的土壤部分。当ART接近水面（miàn）时（shí），基质变得更加（jiā）饱和，它开始爬行，以确保稳定性（xìng），防止直立（lì）步态（tài）的集（jí）中点负荷深入到基质中。ART并（bìng）没（méi）有在开阔（kuò）的水（shuǐ）面（miàn）上走很（hěn）远，在变形之（zhī）前，它把四肢抬出水面。当它在浅水区仅部（bù）分被（bèi）淹没时，它依靠划（huá）水来游（yóu）泳。ART记录了它（tā）在（zài）运输过程中的环境，对其周围环境造成的破坏很小。ART的最小COT性能与（yǔ）许多陆生和水生动物和（hé）机（jī）器人（rén）的（de）性（xìng）能进行（háng）了比较（图（tú）5d）。由于专门针对多种环境，ART的（de）表现与最先进的单模态水生（shēng）或陆生机（jī）器人相近，在某些情况下甚（shèn）至超过了后者（zhě）。最重要的是，ART可（kě）以在非结构化的环境中过渡，同时（shí）保（bǎo）持与单模（mó）态机器人相当或更好的性能。

 

小（xiǎo）结：在非结构化的动态环境（jìng）中（zhōng），例如（rú）陆地到水的过渡（dù），作（zuò）者发现（xiàn）将身体形（xíng）状和行为（wéi）视为（wéi）可以调整的变量的（de）机器人（rén）设计可（kě）以提高效率。更（gèng）广泛的含义是，未来的机器人可（kě）以使用（yòng）自适应形（xíng）态发生来专业化，而不仅仅是一个环境（jìng），而（ér）是多个环境。