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2023-01-31
耶魯兩棲機器龜?shù)荖ature封面，一種部件搞定水上、陸地行動
更新時間：2022-10-14 08:06:05作者：智慧百科
機器之心報道
編輯：陳萍、杜偉
陸地行走、海里暢游，這款機器龜在形態(tài)和性能上與真龜別無二致！
現(xiàn)存最古老的爬行動物龜，它們既可以在陸上生活，又可以在水中生活。
不同于龜?shù)葍蓷珓游铮饕獥⒂谝环N生態(tài)環(huán)境的動物往往表現(xiàn)出專門的身體規(guī)劃和步態(tài)運動學(xué)，以提高運動效率，而在其他環(huán)境中的性能反而下降。相反，半水生和半陸生動物表現(xiàn)出固有的形態(tài)和步態(tài)折中，這使得它們在兩種環(huán)境中的效率都很高。
研究界中出現(xiàn)了針對特定環(huán)境的專業(yè)化移動機器人，它們通常僅限于在陸地或水中運行，而不能兼顧兩者。因此，發(fā)展兩棲機器人顯得非常重要。
近日，來自耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種兩棲機器人，其靈感來自于海龜和陸龜，該機器人通過一種被稱為「自適應(yīng)形態(tài)發(fā)生，adaptive morphogenesis」的過程完成。他們還為這款機器人取了一個特別貼切的名字，英文叫 ART（Amphibious Robotic Turtle），中文為「兩棲機器龜」。
該研究于 10 月 12 日登上《Nature》封面。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05188-w
說到海龜和陸龜，他們都有著相似的身體，四肢和一個殼，但它們有獨特的肢體形狀和步態(tài)，以適應(yīng)它們特定的環(huán)境。正如論文作者之一 Rebecca Kramer-Bottiglio 所說，海龜?shù)啮挔钪^長，便于游泳，而陸龜?shù)耐容^圓，便于行走時負(fù)重。
該機器龜結(jié)合了兩者的特點，其具有可變形的四肢，能夠根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)整四肢形狀、剛度和動作。當(dāng)將機器龜從一種環(huán)境過渡到另一種環(huán)境時，其四肢使用可變剛度材料和人造肌肉來改變其形狀。ART 具有靈活的四肢：
ART 的四肢可變形：
當(dāng)將這款機器人放在陸地上時，它能以各種步態(tài)在陸地上行走。
到達(dá)水域后，ART 就將腿變成鰭狀肢，使其能夠以基于升力和阻力的水上步態(tài)進(jìn)行暢游。
ART 從陸地到達(dá)水里：
Nature 首席物理科學(xué)編輯 Karl Ziemelis 表示：你幾乎可以認(rèn)為「自適應(yīng)形態(tài)發(fā)生」是機器人按需進(jìn)化的形式。
ART 與其他兩棲機器人的不同之處在于，它能利用相同的部件在水上和陸地環(huán)境中進(jìn)行推進(jìn)，而其他機器人需要添加多個推進(jìn)機制，才能適應(yīng)不同的環(huán)境，這樣一來，就會導(dǎo)致能源效率低下。「我們的研究結(jié)果表明，自適應(yīng)形態(tài)發(fā)生可以提高機器人在多種環(huán)境中移動的效率，」通訊作者 Kramer-Bottiglio 表示。
這種兩棲機器龜潛在的應(yīng)用很多，包括沿海岸線的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、海洋養(yǎng)殖。此外該機器龜還將幫助研究人員進(jìn)行復(fù)雜沖浪區(qū)和其他環(huán)境過渡區(qū)的運動物理學(xué)研究。
兩棲機器龜怎么形成的？
下圖 a 中，ART 復(fù)制了高度適應(yīng)海龜物種的肢體形狀和步態(tài)，并且構(gòu)成一個能夠在水生和陸生棲息地之間過渡的特殊運動模式平臺。
圖 b 為變形肢體的側(cè)視圖，比例尺為 30mm。
圖 c 為機器龜 CAD 模型的等軸視圖和俯視圖，比例尺為 0.16m。其中，θ、φ和α分別表示向前和向后、向上和向下以及迎角運動的軸。
下圖 2 為 ART 的游泳形態(tài)。圖 a 為機器龜通過調(diào)節(jié)浮力進(jìn)行水面和水下游泳。
圖 b 為受龜啟發(fā)的撲動步態(tài)的迎角偏移與運動消耗（Cost of Transport, COT）的關(guān)系。三個不同區(qū)域的突出展示：在左側(cè)（紅色）區(qū)域，拍動的 COT 高于游動；在中間（黃色）區(qū)域，COT 在 10 度的跨度內(nèi)下降，指出機器龜產(chǎn)生主要推力的過渡；在右側(cè)（藍(lán)色）區(qū)域，COT 接近其最佳值。
圖 c 和 d 分別表示用于游泳和拍動步態(tài)的一個步態(tài)周期（頂部）、x 步態(tài)周期（中間）和 z 步態(tài)周期（底部）的重要步驟。
下圖 3 為 ART 的行走形態(tài)。圖 a 表示 ART 能夠以直立爬行步態(tài)輕松穿越多個陸地基質(zhì)。
圖 b 頂部表示一個步態(tài)周期的重要步驟，底部表示φ和θ電機的指令編碼器位置。BL 指左后腿，BR 指右后腿，F(xiàn)L 指左前腿，F(xiàn)R 指右前腿。
圖 c 表示 ART 左后肢遠(yuǎn)端的 3D 運動捕捉超過 5 個步驟。圖 d 表示運動捕捉 z 軸投影。
下圖 5 為過渡策略和 COT 情境化。其中，圖 a-c 表示 ART 的游泳（a）、行走（b）和過渡（c）形態(tài)。圖 d 表示，ART 在與其他動物和機器人的比較中表現(xiàn)出色，優(yōu)于一些最先進(jìn)的單峰陸地和水上機器人。并且由于壓載物的并入，水下游泳時機器龜?shù)馁|(zhì)量也增加了。
更多技術(shù)細(xì)節(jié)請參閱原論文。
參考鏈接：https://news.yale.edu/2022/10/12/morphing-limbs-robot-travels-land-and-water