豪豬+千足蟲合體！意大利團(tuán)隊(duì)打造柔骨機(jī)器人，3D打印一體成型

在搜救現(xiàn)場(chǎng)的廢墟之下，在工業(yè)管道的狹窄深處，或是在人類難以涉足的危險(xiǎn)環(huán)境中，我們迫切需要一種能夠靈活穿行、適應(yīng)復(fù)雜地形的機(jī)器人。

傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)器人雖然在平地上表現(xiàn)出色，但一旦遇到障礙或不平坦的路面，往往就顯得力不從心。為了解決這個(gè)難題，全球的機(jī)器人科學(xué)家們將目光投向了自然界——那些歷經(jīng)億萬年演化、擁有超強(qiáng)地形適應(yīng)能力的生物。

最近，來自意大利比薩圣安娜高等學(xué)校、熱那亞大學(xué)以及英國(guó)諾丁漢特倫特大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)，就從千足蟲和豪豬身上汲取靈感，推出了一款名為Porcospino Flex的單履帶機(jī)器人。

[靈感來源：千足蟲（左）；豪豬（右）]

它最核心的突破，在于擁有了一根一體化3D打印的、柔性順應(yīng)的“脊椎骨”。這一設(shè)計(jì)不僅讓機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性大幅提升，還成功為其“瘦身”600克，能耗也隨之降低了約15%。

這項(xiàng)成果已發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域期刊Robotics上。那么，這只融合了兩種生物特性的機(jī)器人，究竟是如何煉成的？

▍一身柔骨，靈感來自千足蟲與豪豬

Porcospino Flex的設(shè)計(jì)哲學(xué)，體現(xiàn)了仿生學(xué)的魅力。

它的運(yùn)動(dòng)方式，借鑒了千足蟲。千足蟲擁有分節(jié)的身體，通過節(jié)段間的協(xié)同收縮與伸展，產(chǎn)生波浪式的運(yùn)動(dòng)，從而在各種復(fù)雜表面上高效移動(dòng)。Porcospino Flex同樣采用了分節(jié)、柔性的身體結(jié)構(gòu)，使其能夠像千足蟲一樣扭動(dòng)身體，適應(yīng)地形的起伏。

而它的另一個(gè)靈感來源——豪豬，則賦予了它獨(dú)特的“皮膚”。豪豬滿身的尖刺是其強(qiáng)大的防御武器，同時(shí)也影響了它謹(jǐn)慎而穩(wěn)健的移動(dòng)方式。Porcospino Flex的履帶上布滿了彈性的“刺”，這些刺在機(jī)器人攀爬障礙物時(shí)，能夠提供額外的抓地力，就像豪豬的刺一樣，幫助它穩(wěn)固地“抓住”地面。

[Porcospino Flex的三維示意圖]

整個(gè)機(jī)器人長(zhǎng)670毫米，寬165毫米，高145毫米，其最引人注目的創(chuàng)新，無疑是它的“脊柱”——一根由超材料結(jié)構(gòu)（meta-material structure）設(shè)計(jì)的、連續(xù)統(tǒng)一的柔性體。

與前代版本由多個(gè)獨(dú)立椎骨和柔性關(guān)節(jié)連接的方式不同，Porcospino Flex的脊柱是一整個(gè)通過3D打印一體成型的部件。這根脊柱由16個(gè)節(jié)段組成，節(jié)段之間設(shè)計(jì)有15個(gè)8度的凹槽。這些凹槽的存在，使得整個(gè)脊柱可以在水平方向（偏航角）上實(shí)現(xiàn)最大120度的彎曲。

[Porcospino Flex的脊柱設(shè)計(jì)]

這種設(shè)計(jì)帶來了巨大的好處。當(dāng)機(jī)器人需要轉(zhuǎn)向時(shí)，它不再需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，只需通過拉動(dòng)一側(cè)的纜繩，就能讓整個(gè)身體自然彎曲，以極低的能耗完成轉(zhuǎn)向。同時(shí)，這根脊柱在垂直（俯仰）和扭轉(zhuǎn)（翻滾）方向上也具有被動(dòng)順應(yīng)性，意味著當(dāng)它遇到地面上的凸起或溝壑時(shí)，身體可以像真正的蛇或蟲一樣，自動(dòng)貼合地形輪廓，而無需復(fù)雜的傳感器和控制算法進(jìn)行干預(yù)。

研究團(tuán)隊(duì)為這根脊柱選擇了一種名為TPU 95A的熱塑性聚氨酯材料，它兼具彈性和耐用性。而為了保證承載電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制單元的中央部分有足夠的剛性，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)晶格結(jié)構(gòu)時(shí)進(jìn)行了精心的優(yōu)化，通過反復(fù)試驗(yàn)，最終找到了剛性與柔性的最佳平衡點(diǎn)。

[Porcospino Flex的內(nèi)部組件]

▍3D打印一體成型，體重直降600克

Porcospino Flex的誕生，離不開增材制造（3D打印）技術(shù)的深度賦能。

相比于其前身Porcospino，新版本的核心優(yōu)勢(shì)在于制造工藝的簡(jiǎn)化和整體性能的飛躍。

舊版本的脊柱由40個(gè)獨(dú)立的打印件組成，需要繁瑣的人工組裝，不僅耗時(shí)耗力，而且大量的連接點(diǎn)也容易成為應(yīng)力集中和潛在的故障源。而Porcospino Flex的脊柱則是一個(gè)連續(xù)的整體，通過FDM（熔融沉積成型）技術(shù)一次性打印出來。這帶來的好處是立竿見影的：

首先是顯著的減重。通過采用晶格化的超材料結(jié)構(gòu)和一體化設(shè)計(jì)，新機(jī)器人的總重量從原來的4200克成功降至3600克，足足減輕了600克。對(duì)于一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人而言，更輕的體重意味著更高的敏捷性、更快的速度和更低的能耗。

其次是生產(chǎn)效率和成本的優(yōu)化。一體化的設(shè)計(jì)大大減少了組裝環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本。這使得Porcospino Flex更具快速迭代和推廣應(yīng)用的潛力。

最后是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升。新設(shè)計(jì)用柔性的TPU材料取代了舊版本中部分剛性的ABS材料，并消除了螺栓連接點(diǎn)，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)，應(yīng)力可以更均勻地分散，抗沖擊能力更強(qiáng)，大大降低了在復(fù)雜環(huán)境中因碰撞導(dǎo)致?lián)p壞的風(fēng)險(xiǎn)。

為了驗(yàn)證這個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)還利用有限元建模（FEM）對(duì)脊柱進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)分析。他們?cè)谀M中對(duì)脊柱施加了不同的拉力（4N、5N、6N），以模擬轉(zhuǎn)向時(shí)纜繩的作用。

[不同纜繩拉力下的馮·米塞斯應(yīng)力分布]

分析結(jié)果顯示，應(yīng)力主要集中在凹槽附近的狹窄區(qū)域，這與預(yù)期相符。最重要的是，即使在最大形變下，其最大應(yīng)力值也遠(yuǎn)低于TPU材料的斷裂強(qiáng)度（23.7 MPa），充分證明了該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可靠性。

▍能耗降低15%，輕松征服復(fù)雜地形

理論設(shè)計(jì)和模擬分析的成功，最終要通過實(shí)際測(cè)試來檢驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)制作了完整的Porcospino Flex原型機(jī)，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。

[完整脊柱原型的最大偏航彎曲（左）和最大俯仰彎曲（右）]

[完整脊柱原型（紅色部分為TPU，白色部分為ABS）：左圖為最大偏航彎曲狀態(tài)，右圖為最大俯仰彎曲狀態(tài)。]

在測(cè)試中，Porcospino Flex展現(xiàn)出了超乎預(yù)期的性能。

得益于體重的減輕和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，它的功耗相比前代版本出現(xiàn)了明顯下降，從2.134瓦降至1.830瓦，降幅高達(dá)15%。這意味著在同等電池容量下，它的續(xù)航能力得到了有效提升。同時(shí)，盡管重量變輕，但由于電機(jī)特性，其加速度保持穩(wěn)定（0.131 m/s2），確保了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)可控。

更厲害的是它的地形適應(yīng)能力。

在室內(nèi)測(cè)試中，Porcospino Flex輕松挑戰(zhàn)了一個(gè)70毫米高的方形臺(tái)階。在攀爬的初始階段，履帶上的“尖刺”牢牢抓住了臺(tái)階邊緣；隨后，它柔性的脊柱開始發(fā)揮作用，被動(dòng)地向上彎曲，使整個(gè)身體順利地“翻”上臺(tái)階。整個(gè)過程一氣呵成，充分展示了其被動(dòng)順應(yīng)性和抓地力的結(jié)合。

[Porcospino Flex攀爬70毫米高的單個(gè)臺(tái)階]

在戶外，它同樣表現(xiàn)出色。無論是在長(zhǎng)滿青草的不平坦地面上進(jìn)行轉(zhuǎn)向測(cè)試，還是在瀝青路面上攀爬70毫米高的人行道邊緣，Porcospino Flex都成功完成了任務(wù)。特別是在草地上，轉(zhuǎn)向是對(duì)機(jī)器人牽引力和機(jī)動(dòng)性的雙重考驗(yàn)，而Porcospino Flex憑借其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，證明了自己強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性。

[Porcospino Flex在草地不平坦地形上進(jìn)行戶外測(cè)試]

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地證明，Porcospino Flex的設(shè)計(jì)是成功的。它不僅繼承了前代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，更通過引入一體化的柔性超材料脊柱，在重量、能耗、機(jī)動(dòng)性、耐用性和生產(chǎn)效率等多個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)了重大突破。

總而言之，Porcospino Flex項(xiàng)目為我們展示了仿生學(xué)、超材料設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)相結(jié)合在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。它更輕、更高效、更堅(jiān)固，也更具可持續(xù)性（材料用量減少）。

未來，這種輕巧而靈活的機(jī)器人有望在搜救、工業(yè)巡檢、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域大放異彩。它就像一個(gè)不知疲倦的“機(jī)械生物”，能夠深入那些對(duì)人類或其他傳統(tǒng)機(jī)器人而言過于危險(xiǎn)或狹窄的禁區(qū)，為我們帶回寶貴的信息。

參考鏈接：https://www.mdpi.com/2218-6581/13/5/76