大自然无疑是人类最好的老师，人类受动植物生理特性的启发而发明的设备，可广泛应用于日常生活、医学治疗和军事装备等领域，如鲁班造锯、活体线虫药物递送和仿生变色龙军事伪装。

近日，科学家受亚洲蜥虎尾巴摆动的启发，研发出两个仿生蜥虎柔性机器人，有望为无人机等飞行机器人平稳且安全地降落起到关键作用。

图｜亚洲蜥虎软体机器人模拟（来源：Communications Biology）

9 月 2 日，相关论文以《尾巴使滑动壁虎头朝下撞到树干以稳定着陆》（The tail makes the sliding gecko head down and hit the trunk for a stable landing）为题发表在Communications Biology上，由德国马克斯·普朗克智能系统研究所教授阿迪安·朱苏菲（Ardian Jusufi）担任通讯作者。

图｜相关论文（来源：Communications Biology）

迄今为止，在鸟类、蝙蝠和许多昆虫等动力飞行中，着陆力可能远低于起飞力，着陆前速度的降低主要靠翅膀实现。对于松鼠、蜥蜴和青蛙这样没有翅膀的动物而言，着陆时会受到巨大的地面滑翔力，它们以相对较高的速度转向着陆目标。

相比之下，该团队研究的亚洲蜥虎与大多数滑翔机相比具有非常高的翼载荷。通过记录滑翔轨迹，该团队研究人员发现，亚洲蜥虎滑翔角的陡峭程度大约是蜥蜴等特殊滑翔机的两倍，滑翔比是其他动物的一半。

不同的物种从空中向垂直地面着落时，都有自己独特的方式。该团队主要对生活在东南亚雨林中的蜥虎进行了量化分析，用相机记录了亚洲蜥虎在高速滑翔时的动作轨迹，发现亚洲蜥虎身体与树干接触之前并未减速，而是通过调节头部撞击、躯体接触角度和尾巴摆动的行为防止摔落。

图｜亚洲蜥虎从高架平台跳跃到树枝的轨迹（来源：Communications Biology）

该团队采用分组实验法，进一步探索亚洲蜥虎的平稳着落是否与“尾巴的摆动”密切相关。研究人员选取了 30 只亚洲蜥虎样本，观察它们从森林某个位置向树木跳跃的过程，再用更高精度的相机记录了其中 16 只亚洲蜥虎向下跳跃的轨迹。

亚洲蜥虎的着陆过程可以分为五个阶段。首先，亚洲蜥虎跳跃到目标位置时，身体需向上倾斜仅 16 ± 8.4°。当这一动作完成从空中下落时，亚洲蜥虎头部和躯干前部开始接触并进行动能转移，头部和躯干的碰撞增加了角动量，使得躯干向树干下方移动。

接下来，亚洲蜥虎后腿接触垂直树枝表面，它没有从树上滑向森林地面，而是在腹侧方向拱起后腿。在第四阶段，前脚开始超过附着的树枝与树枝脱离。在最后阶段，亚洲蜥虎将尾巴压在树上后仰，身体部位开始向后旋转离开着力点。

头部最先撞击树枝会给亚洲蜥虎带来较大的俯仰角动能，它可以通过尾巴的摆动产生长臂力，使蜥虎的身体通过向后倾斜以逐渐对冲这种动力，并最终以较小的力量成功着陆。该团队将这种特别的动作称为“防坠落反应”（FAR，Fall Arrest Response）。

结果，该团队发现三种情况，大部分亚洲蜥虎可以稳定地降落在树枝上，少部分亚洲蜥虎因为没有控制好平衡被滑落地面，尤其是没有尾巴的亚洲蜥虎，即便能短暂地停留，但最后还是未能平稳着落在树枝上。

图｜亚洲蜥虎在树枝上降落的轨迹变化（来源：Communications Biology）

于是，科学家大胆设想，亚洲蜥虎从高处向下跳跃能否平稳着落，“尾巴的摆动”是阻止其摔落的核心因素。因此，科学家开发了两个与亚洲蜥虎机构类似的软体机器人，对这一设想进一步验证。

图｜亚洲蜥虎软体机器人模拟实验（来源：Communications Biology）

亚洲蜥虎软体机器人的头部能以 6.0 ± 0.9 m/s 着陆速度先碰撞弹道短程俯冲。在着陆的过程中姿势不断变化，接近着力点时，逐渐向上倾斜，在 53 ± 5.8° 保持恒定。通过滑翔持续时间的速度图谱，能看到它们接近树枝着力的目标时，亚洲蜥壁虎降低了速度，尝试稳定着陆。

图｜带尾巴的机器人着陆俯仰行为（来源：Communications Biology）

由于缺乏专门的空气动力学形态，21 只壁虎中有 4 只在撞击时仍在加速。因此，亚洲蜥虎在着陆前将速度降低 60%，避免在高速着陆时增加受伤或坠落到森林地面的风险。

在蜥虎软体机器人的实验中可以观察到成功和失败着陆现象，动态模型中所表征的失败着陆情况不受俯仰的控制，后脚与着力点接触丧失。俯仰使蜥虎软体机器人模型能够更加缓慢、更小地消耗在着陆初始阶段获得的角动量，因此滑翔动力能的逐渐完全减速和吸收比没有俯仰和部分脱离着陆表面的可能性更大。

该团队的蜥虎软体机器人物理模型实验演示，证明了通过机械调停可增强着陆的稳定性，未来有望实现无人机等飞行机器人在垂直的地面上稳定且安全地降落。

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