來源：直觀學(xué)機(jī)械
NASA：火星飛無人直升機(jī)，月球要用跳蚤機(jī)器人。
在過去十年左右的時間里，人們已經(jīng)看到了各種各樣的跳躍機(jī)器人。除了極少數(shù)的產(chǎn)品之外，這些機(jī)器人都是借助生物學(xué)來啟發(fā)自身的設(shè)計和功能。
這是有道理的，因為自然界充滿了各種神奇的跳躍類動物，將它們的能力與機(jī)器人相匹配似乎是一個合理的追求。以螞蟻、青蛙、鳥類和嬰猴為例，機(jī)器人已經(jīng)嘗試過模仿了這些動物的動作，且偶爾以某些特定方式模仿成功了。
對于來自加州大學(xué)圣巴巴拉分校和迪士尼研究中心的機(jī)器人研究者來說，這引出了一個簡單的問題：如果你要制造一個專注于跳得盡可能高的機(jī)器人，它到底能跳多高？
在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，他們用一個可以跳到 33 米高的機(jī)器人回答了這個問題，這個機(jī)器人可以跳到自由女神像上的眼睛水平線的高度。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04606-3
如下視頻里的表現(xiàn)，它并不完美，但仍然稱得上是不錯的跳躍機(jī)器人，包括自行起跳、著陸、自動復(fù)原，然后再次起跳。
這款跳躍機(jī)器人大概 30 厘米高，重約 30 克，對于這類機(jī)器人來說還是比較重的。它幾乎完全由充當(dāng)彈簧的碳纖維弓和蓄力的橡皮筋制成。機(jī)器人的中心包括一個電機(jī)、電池和一個連接機(jī)器人頂部與底部的繩索的閂鎖裝置。
為了準(zhǔn)備起跳，機(jī)器人開始旋轉(zhuǎn)它的馬達(dá)，在 2 分鐘的過程中，它會將繩索卷起來，將機(jī)器人壓扁并逐漸蓄力。一旦繩索完全上緊，電機(jī)的另一次拉力會使閂鎖裝置跳閘，從而松開繩索并在大約 9 毫秒內(nèi)釋放所有力，在此期間，機(jī)器人從 0 加速到 28 m/s。總而言之，該機(jī)器人的比能量超過每公斤 1000 焦耳，這足以推動它比最好的跳躍生物高出一個數(shù)量級，并且可以輕松地將現(xiàn)有任何其他跳躍機(jī)器人的高度提高三倍。
慢動作特寫如下：
之所以能夠跳得這么高，是因為這款機(jī)器人依賴于一種在生物學(xué)中找不到的工程技術(shù)：旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。 使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和一些連接到彈簧的齒輪，可以在相對較長的時間內(nèi)使用相對較少的功率來存儲電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的大量能量。動物無法使用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，即使它們可以將肌腱作為「彈簧」，但這種彈簧可以為跳躍供能的能力是受限的，取決于肌肉單次發(fā)力的沖程。生物跳躍之中表現(xiàn)最好的是嬰猴，相對于它們的體重來說，它們擁有最發(fā)達(dá)的跳躍肌肉，但是仍然會限制動物能夠跳多高。
此前，許多機(jī)器人已經(jīng)將旋轉(zhuǎn)電機(jī)和彈簧結(jié)合起來進(jìn)行跳躍，但本文研究者認(rèn)為，設(shè)計跳躍機(jī)器人的最佳方法是顛覆生物學(xué)：與其通過更大的馬達(dá)獲得更高的跳躍幅度，不如在使用盡可能多的技巧的同時盡量用小功率馬達(dá)。
以往研究人員模擬了生物跳躍的肌肉與肌腱的比例，并發(fā)現(xiàn)最佳性能來自肌腱質(zhì)量約 30 倍的肌肉。但是對于工程跳躍，這篇論文表明這個質(zhì)量比是可以反轉(zhuǎn)的，比如該跳躍機(jī)器人的彈簧是電機(jī)質(zhì)量的 1.2 倍。
「我們太依賴動物模型了，」論文作者之一 Morgan Pope 表示，「所以我們一直在跳幾米高，而我們其實可以跳幾十米高。」
一系列高速圖像展示機(jī)器人釋放了彈簧中的張力并跳躍。 「第一次看到我們的機(jī)器人跳起來，有一種神奇的觀感，」加州大學(xué)圣巴巴拉分校的論文第一作者 Elliot Hawkes 說道。我們從一個更像彈簧棒的設(shè)計開始，然后是弓形設(shè)計，然后是混合彈簧設(shè)計，將橡皮筋和弓形結(jié)合在一起。我們花費(fèi)了無數(shù)時間用于解決各種具有挑戰(zhàn)性的機(jī)械問題，從齒輪箱齒剪切到鉸鏈斷裂，再到碳纖維彈簧爆炸。每一次新的迭代都同樣令人興奮——最近一次跳躍超過 30 米，當(dāng)你親眼看到它起飛時，它會讓你大吃一驚。這么小的設(shè)備里藏著如此大的能量！」
自由女神像的眼睛高度顯然仍不是極限，想讓機(jī)器人跳得更高可能需要使用一個更有彈性的彈簧，來最大化機(jī)器人存儲的能量，同時不增加其質(zhì)量。「我們使用混合拉壓彈簧將能量存儲推到了更高水平，」Hawkes 表示。「但我相信彈簧設(shè)計可能會進(jìn)一步推動這一點(diǎn)。我們現(xiàn)在的能量約為每公斤 2000 焦耳。 看到這個機(jī)器人近乎瘋狂的跳躍高度，我們很難不去想象為什么不多看看自然界的其他生物，設(shè)計出更多仿生機(jī)器，但在這里需要關(guān)注的問題是，仿生機(jī)器人并不是生物機(jī)體。「我們制造了一種非常專業(yè)的設(shè)備，它可以很好地完成一件事，」Hawkes 說。「它偶爾會跳得很高。生物跳躍在許多其他方面做得更好，而且更魯棒。」
不過，即使是當(dāng)前版本的跳躍機(jī)器人也確實可以自我糾正、重復(fù)跳躍并攜帶像相機(jī)一樣的小型有效載荷。
研究人員認(rèn)為，這種機(jī)動性和效率的結(jié)合可能使其成為探索外星球的理想選擇，在那里跳躍的活動形式能讓你走得更遠(yuǎn)。例如，在月球上，由于重力較低且沒有大氣阻力，這個機(jī)器人每次跳躍可以跑半公里。
「我們目前展望最多的應(yīng)用是太空探索，」Hawkes 表示。「月球是一個真正理想的跳躍地點(diǎn)，它為探索開辟了新的可能性，因為它可以克服具有挑戰(zhàn)性的地形。例如，機(jī)器人可以跳到難以接近的懸崖邊或隕石坑底部采集樣本，然后返回輪式漫游車。」他和他的團(tuán)隊目前正在與 NASA 合作開發(fā)這個系統(tǒng)，目標(biāo)是在未來五年內(nèi)發(fā)射到月球。https://spectrum.ieee.org/record-breaking-jumping-robothttps://www.nature.com/articles/s41586-022-04606-3
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxODA0Mzk1NA==&mid=2650861366&idx=2&sn=7cb0933376ff8ba500fc106e4945d886&chksm=80280a6bb75f837da19ccb44b713dafe30768dd2d5a50eaf736440b6b674e4eee037baf282c0&mpshare=1&scene=1&srcid=0501mTJhbxwMtDcgTkzHaWXh&sharer_sharetime=1651359827868&sharer_shareid=3759e075205c4aab012a766dbe010cc6#rd