天空才是极限！远超生物极限的仿生跳跃机器人
几个世纪以来，科学家们一直在探索生物跳跃高度的极限，几十年来，工程师们模仿生物跳跃，或从生物跳跃获得灵感，设计了诸多跳跃机器人。尽管做出了这些努力，但仍缺少系统性地对生物跳跃系统和工程跳跃系统的能量学进行跨尺度比较和分析。
沫蝉，一种小昆虫可以跳到70厘米的高度，是其体长的115倍，它依靠的是腿上的弹性结构驱动了高达每秒4米的起飞速度。受这种昆虫的启发，加州大学圣巴巴拉分校Elliot W. Hawkes团队开发了一个通用框架，用于探索生物和工程系统如何产生和使用能量以实现最高跳跃。研究者将旋转电机与混合弹簧（由橡皮筋、碳纤维构成）相结合，以最大限度地提高储存的能量密度，最终所研发的机器人，仅仅30克重，可以跳得比沫蝉高近50倍——达到惊人的33米，起飞速度超过每秒28米。相关工作以“Engineered jumpers overcome biological limits via work multiplication”发表在《Nature》。
研究者将跳跃定义为由跳跃系统施加到地面的力产生的运动，同时保持恒定的质量(因此火箭发射和弓箭射击不在本篇文章的研究范畴)。他们研究了跳跃的两个方面：比能产生极限(每单位质量的跳跃系统单次跳跃可以产生的最大能量)和比能利用(将比能转换为跳跃高度的效率)。研究者考虑跳跃系统的四个部分：马达、可选弹簧、连杆和有效载荷。马达可以分成两种类型：生物马达和工程马达，两者之间具有明显的区别。生物马达是具有限制其工作能力的有限单次行程的线性肌肉。相比之下，工程电机可以克服这种单冲程工作限制。线性工程电机可以使用棘轮组合多个冲程，并且旋转电机可以重复转动以组合多个旋转，被称之为“功率倍增”。通过增加电机冲程和跳跃系统整体运动之间的齿轮减速，可以提高冲程或转数。两种电机类型又都可以有两种传动类型：直接驱动(无弹簧)或弹簧驱动(带弹簧)。对于直接驱动变速器，电机通过坚硬、轻质的肌腱直接连接到连杆机构，这是将力传递到地面所必需的结构。对于弹簧驱动变速器，在弹簧迅速将能量释放到连杆中之前，马达可以缓慢地预拉伸弹簧。最后，有效载荷包括跳跃系统的所有剩余部分。
图1 建模框架的图形概览。
图2 生物与工程、直接驱动与弹簧驱动跳跃系统的比能量上限趋势。
模型结果表明，对于生物跳跃系统，比能产生永远不会克服肌肉和马达的功率限制的问题，但对于工程跳跃系统，上限可能要大得多。对此，研究者从模型中得到的第一个见解是，工程马达不需要具有与生物肌肉相同的工作限制。肌肉执行有限长度的单次收缩，这限制了它们的工作密度(相对于它们的质量，它们可以产生的机械能)。工程机器人中常见的旋转电机可以通过充当绞盘来克服这一限制，从而在不需要更大电机的情况下提供更大位移的力，从而增加工作密度。工程直线电机可以使用棘轮实现相同目的，即使生物跳跃系统使用弹性结构来进行跳跃，他们仍然受到储存在肌肉中的能量限制。通过选择具有大齿轮减速 (1,000:1)的小型旋转电机(10 g)来设置较高的弹簧电机质量比。这使马达能够以130 N的张力压缩相对较大的弹簧，使其绕在其主轴上的一条线上。
研究者的第二个见解与弹簧本身有关。弹簧结合了可以像弓一样弯曲的碳纤维梁和可以承受张力的橡皮筋——单位质量存储的能量非常高(1,922 J kg-1)。这种配置还导致弹簧需要在一定距离范围内施加相对恒定的压缩力，这是与大多数弹簧不同的特征，对于大多数弹簧来说，施加的力随着压缩距离线性增长。尽管存在具有更高能量密度的弹簧，但这种恒力配置允许旋转电机存储最多的能量，该电机可以连续施加最大扭矩输出，以匹配压缩弹簧所需的力。
值得注意的是，跳跃机器人中的弹簧甚至比马达还要重。它提供了1.2的弹簧-马达质量比。这与生物跳跃系统形成鲜明对比，生物跳跃系统的肌肉通常比它们用来直接为跳跃提供动力的弹簧要大得多(而生物跳线中为0.025-0.06)。弹簧和马达质量之间的这种出乎意料的高比例极大提高了机器人的跳跃高度。
同时，研究者将在加速过程中静止的组件的质量最小化，以减少能量传递损失，并创造了一种形状变化的形态，在起飞后变成流线型，以最大限度地减少空气阻力。跳跃机器人可以在9 ms内从0 m s-1加速到超过28 m s-1(加速度>3,000 m s-2)并达到32.9±0.7 m的高度。
跳跃机器人的另一个令人惊讶的特点是其相对较大的尺寸。生物学中由弹簧推动的生物通常仅有几克或更少的质量，而质量较大的跳跃者(例如人类)受益于直接的肌肉力量而不是弹簧驱动。但是这个机器人足足有30克的质量。尽管该团队没有探索进一步的限制，例如电池能量密度，但该研究表明，比他们的机器人更大、弹簧更大的机器人可能会跳得更高。
图3 跳跃超过30 m的跳跃机器人。
总结
研究者成功地利用生物学作为他们设计的灵感，同时通过巧妙的工程突破了生命系统的局限性。例如，跳跃机器人并没有受限于肌肉在一次收缩中所能做的工作量，而是只受限于它的弹簧和电池。该机器人还利用了这样一个事实，即由碳纤维和橡皮筋制成的弹簧比生物跳跃系统中的有限材料具有更高的能量密度。因此，这项工作提醒人们，受生物启发的工程系统不需要包含生物学限制。
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来源：高分子科学前沿
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