Science子刊重磅！無(wú)腿機(jī)器人能跳能游還能負(fù)重，顛覆兩棲設(shè)計(jì)

機(jī)器人界又出狠角色了！

這次不是模仿壁虎的吸盤(pán)腳，也不是模仿獵豹的彈簧腿，而是一個(gè)完全沒(méi)有腿的機(jī)器人，卻能在沙地上狂奔、在水里靈活轉(zhuǎn)向，甚至扛起40倍于自重的重物。

近日，國(guó)際權(quán)威期刊《Science Advances》發(fā)表了一項(xiàng)令人眼前一亮的成果：來(lái)自哈工大研究團(tuán)隊(duì)成功研制出純慣性驅(qū)動(dòng)的兩棲機(jī)器人Leglessbot（無(wú)腿機(jī)器人）。

它沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的運(yùn)動(dòng)部件，沒(méi)有外露的齒輪、連桿、螺旋槳，卻實(shí)現(xiàn)了跳躍、奔跑、游泳的全能表現(xiàn)。

劃重點(diǎn)：全密封剛性外殼+單一驅(qū)動(dòng)器+零外露運(yùn)動(dòng)部件。

這意味著什么？意味著厘米級(jí)機(jī)器人在惡劣環(huán)境下的生存能力，可能要被重新重新定義了。

01.

從提線木偶到一機(jī)多用：慣性驅(qū)動(dòng)還能這么玩

先來(lái)說(shuō)個(gè)常識(shí)：絕大多數(shù)機(jī)器人想動(dòng)起來(lái)，得有腿、輪子、履帶或者螺旋槳。這些東西在水里怕漏電，在沙里怕卡死，在小尺度下更難密封防水。

Leglessbot的思路徹底另類(lèi)。

它把運(yùn)動(dòng)部件全部藏進(jìn)身體里，靠?jī)?nèi)部磁鐵的快速撞擊和振動(dòng)，讓整個(gè)外殼動(dòng)起來(lái)。這就是“慣性驅(qū)動(dòng)”：你坐在車(chē)?yán)锩偷赝耙蛔玻?chē)就會(huì)往后移一點(diǎn)，Leglessbot就是靠這個(gè)原理在沙地上撞出前進(jìn)路線。

但你肯定會(huì)問(wèn)：光靠?jī)?nèi)部震動(dòng)，怎么能既跳又游還轉(zhuǎn)向？

這就是研究團(tuán)隊(duì)最狠的操作。他們?cè)O(shè)計(jì)了一款可變輸出音圈電機(jī)（VCM）。這臺(tái)小馬達(dá)通過(guò)改變電流換向時(shí)機(jī)，可以切換出三種截然不同的工作模式：

跳躍模式：磁鐵走滿整個(gè)行程，猛撞外殼頂部，把整個(gè)機(jī)器人彈離地面，最高能跳17毫米（約0.5倍自身高度）。

全行程振動(dòng)模式：磁鐵來(lái)回猛沖，機(jī)器人在地面上“蹦跶”前進(jìn)，在干沙上能達(dá)到1.4倍體長(zhǎng)每秒的速度，比絕大多數(shù)同尺寸自給式機(jī)器人還快。

小行程振動(dòng)模式：磁鐵只振動(dòng)幾毫米但頻率拉滿（最高90Hz），機(jī)器人開(kāi)始高頻振動(dòng)，這時(shí)候如果把它放進(jìn)水里，配合被動(dòng)鰭片，就能游泳。

一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，三種完全不同的運(yùn)動(dòng)模式，從跳躍到奔跑再到游泳無(wú)縫切換，這就是所謂的“慣性驅(qū)動(dòng)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)”。

02.

沒(méi)有腿卻能在沙地狂奔：原理靠“蹦”

常規(guī)機(jī)器人最怕什么？沙子！

輪子會(huì)陷進(jìn)去，腿會(huì)拔不出來(lái)，電機(jī)進(jìn)灰直接報(bào)廢。但Leglessbot反而在沙地上跑得最歡，速度達(dá)到78毫米/秒，比平地上的41.6毫米/秒還快。

為啥？因?yàn)樗谌谐陶駝?dòng)模式下，每次磁鐵撞擊外殼都會(huì)讓整個(gè)機(jī)器人微微離地（約5毫米），像一只不斷小跳的袋鼠。剛落地還沒(méi)來(lái)得及陷進(jìn)沙子，下一跳又起來(lái)了，完美規(guī)避了顆粒介質(zhì)的“流變學(xué)陷阱”。

更厲害的是，這種“彈跳式前進(jìn)”讓機(jī)器人擁有了變態(tài)的負(fù)載能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，它拖著960克的配重（約40倍體重）照樣能往前走，甚至被5公斤的重物壓住（208倍體重），照樣能掙扎脫身。放在野外環(huán)境下，這種抗壓能力堪稱(chēng)生存利器。

研究團(tuán)隊(duì)還給Leglessbot裝了一套不倒翁式的重心設(shè)計(jì)。連續(xù)跳躍測(cè)試中，它始終保持直立，不會(huì)翻車(chē)，可以在沙堆、石子堆里一路蹦出來(lái)，脫困能力拉滿。

03.

沒(méi)螺旋槳怎么游泳：被動(dòng)鰭片發(fā)力

如果說(shuō)陸地運(yùn)動(dòng)靠“撞”，那水里怎么動(dòng)？

Leglessbot外殼兩側(cè)裝了六片軟質(zhì)被動(dòng)傾斜鰭片。沒(méi)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有關(guān)節(jié)控制，純靠機(jī)器人本體的高頻振動(dòng)帶動(dòng)鰭片撥水。

關(guān)鍵是左右鰭片的長(zhǎng)度還不一樣：左邊長(zhǎng)20毫米，右邊長(zhǎng)17.5毫米。

當(dāng)VCM進(jìn)入小行程振動(dòng)模式（30-60Hz），機(jī)器人開(kāi)始在水里“哆嗦”，鰭片隨之被動(dòng)擺動(dòng)。流體力學(xué)計(jì)算和高速粒子圖像測(cè)速（PIV）顯示，每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，鰭片向后撥水產(chǎn)生的推力略大于向前回?cái)[的阻力，從而實(shí)現(xiàn)整體向前運(yùn)動(dòng)。

那怎么轉(zhuǎn)向？

靠共振頻率錯(cuò)位！長(zhǎng)鰭和短鰭的固有頻率不同，對(duì)振動(dòng)頻率的響應(yīng)也不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：30Hz時(shí)左側(cè)長(zhǎng)鰭推力占優(yōu)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)；40Hz時(shí)右側(cè)短鰭占優(yōu)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)；35Hz時(shí)兩側(cè)推力相等，直行。最小轉(zhuǎn)彎半徑只有5.6毫米，靈活得像個(gè)水上芭蕾選手。

這就實(shí)現(xiàn)了所謂的“慣性驅(qū)動(dòng)多方向推進(jìn)”，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，靠調(diào)頻率就能控制平面內(nèi)的任意方向游泳。

04.

流體力學(xué)硬核拆解：為啥鰭片能產(chǎn)生凈推力？

研究團(tuán)隊(duì)用計(jì)算流體力學(xué)把整個(gè)過(guò)程扒了個(gè)底朝天。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：在每個(gè)振動(dòng)周期里，鰭片向后撥水時(shí)，由于傾斜安裝角度和水的阻力，鰭片會(huì)張開(kāi)，兜住更多水，產(chǎn)生較大推力；向前回?cái)[時(shí)，鰭片收縮，阻力小得多。一伸一縮之間，推力差就累積成了凈前進(jìn)動(dòng)量。

更細(xì)的機(jī)理是：在向后撥水的行程階段，鰭片根部產(chǎn)生高壓區(qū)（最高1580帕），形成強(qiáng)力渦流，動(dòng)量貢獻(xiàn)達(dá)到+5.14毫牛·秒；而在靜止間歇的靜態(tài)階段，鰭片只是彈性回?cái)[，產(chǎn)生的正負(fù)推力基本互相抵消，凈動(dòng)量貢獻(xiàn)僅0.15毫牛·秒。也就是說(shuō)，幾乎全部的推進(jìn)力都來(lái)自行程階段。

而PIV拍攝的流場(chǎng)顯示，鰭片周?chē)纬傻摹皞螠u旋”其實(shí)是環(huán)形流動(dòng)的集合體，和魚(yú)尾產(chǎn)生的卡門(mén)渦街完全兩碼事——證明這是一種全新的流體推進(jìn)原理。

05.

未來(lái)可期：從全密封到深海潛行

Leglessbot最大的意義可能不在于它能跑多快、跳多高，而在于它證明了一條新路：全密封剛性外殼+慣性驅(qū)動(dòng)，可以讓厘米級(jí)機(jī)器人同時(shí)具備陸地機(jī)動(dòng)性和水下航行能力。

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)密封在厘米尺度幾乎無(wú)解，O型圈一裝摩擦力就大到電機(jī)帶不動(dòng)。Leglessbot把運(yùn)動(dòng)部件全藏進(jìn)殼里，外殼一體成型，防水等級(jí)直接拉滿。理論上，這套方案可以輕松擴(kuò)展到深潛應(yīng)用，畢竟它連動(dòng)態(tài)密封都不需要。

研究團(tuán)隊(duì)還在殼上裝了微型攝像頭，演示了“搜索救援”場(chǎng)景：被石頭砸中后自己蹦出來(lái)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)樂(lè)高“幸存者”，然后推開(kāi)90克的障礙物清理出救援通道。雖然速度和效率還有優(yōu)化空間，但思路已經(jīng)非常清晰。

當(dāng)然，目前的原型機(jī)還有短板：電池續(xù)航在跳躍模式下約28分鐘，小行程振動(dòng)只有11分鐘，比螺旋槳船低不少......原因是慣性驅(qū)動(dòng)的能量效率天然較低。團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃研究能效優(yōu)化和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人在真實(shí)野外環(huán)境更持久。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2222