Science刊登3D打印多足“蜈蚣”机器人，未来用于太空探索和搜救

论腿多。。。蜈蚣必须榜上有名。

蜈蚣以其摇摆不定的步态而闻名。它们有几十到几百条腿，可以不停地穿越任何地形。

最近，来自美国佐治亚理工学院的研发团队就以蜈蚣为灵感，研发了一款多足机器人，这款机器人可以在复杂、崎岖不平的地形上移动——未来可能用于农业、太空探索甚至救援。

该项研究以论文（Multilegged matter transport: A framework for locomotion on noisy landscapes）为题发表在《Science》期刊上。

论文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade498

▍打造机器“蜈蚣”总共分几步？

为啥选择蜈蚣？

科研人员表示，蜈蚣生活在一个和人类的运动世界截然不同的世界中，人类的运动很大程度上受惯性支配，而在蜈蚣的世界里，如果它们停止摆动身体部位和四肢，它们基本上会立即停止移动。

基于蜈蚣的多肢体运动方式，研究人员们提出了一种新的多足运动理论，给机器人增加腿可以提高它在具有挑战性的表面上稳健移动的能力——他们称之为空间冗余的概念，并创建了多足机器人模型。

团队发现，具有冗余腿的机器人可以像理论预测的那样在不平坦的表面上移动，而且无需任何额外的传感或控制技术。

来看看机器“蜈蚣”在各种地形灵活自如的行动能力

大石块上：

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草地上：

碎石路面：

团队构建了一个由重复单元组成的机器人系统，机器人肢体由3D打印而成，研究人员们采用电机分别控制机体波动和肢体收伸。

机器人由4个活动自由度组成。腿部上下电机控制对侧肢体的接触状态，腿部摆动电机控制对侧肢体的前后位置。每条腿都通过一个刚性自由度旋转关节与髋部连接，该关节的旋转轴与前后方向平行。

 Robophysical模型

身体“拼接”完毕后，考虑到腿的数量和“蜈蚣”身体的连接方式，研究人员利用橡皮筋的弹性恢复力在4个机器人上结合两种类型的腿部顺应性，以减轻平行力干扰的影响。

团队设计了两种方案。第一种设计是向内腿的顺应性，通过使用钓鱼线将机器人的腿上/下电机连接到每个对侧肢体对上，从而将腿连接起来，使一条腿上升，另一条腿下降到地面。

在操作过程中，该伺服装置拉紧绳索以垂直提升所需的肢体，同时放松另一侧的绳索。

这将导致对侧腿在髋关节连接处的橡皮筋的帮助下降至地面。这种“踏腿”降低，直到相反的地面力等于弹性力，从而允许机器人的高度在存在障碍物的情况下在身体上不均匀。

第二种设计是纵向腿的顺应性。它由一个旋转轴和橡皮筋组成，连接腿的上下部分，有效地在每条腿上形成一个“膝盖”。

这种设计使腿能够被动地弯曲和拖过遇到的障碍物，从而减轻了大量的平行力干扰。一旦穿过障碍物，橡皮筋就会将腿部恢复到中性直的位置，这样运动就可以继续正常进行。

机器人柔顺的腿部特征

▍机器“蜈蚣”实验通过

机器“蜈蚣”初始化完毕，接下来，研究人员建造地形来模拟不一致的自然环境，并开启了一系列实验。他们将四个摄像机固定在三脚架上，放置在测试场地的每个角落进行跟踪。

8条、12条、16条腿机器人的俯视图gif：

哪怕是在崎岖的路面上也能穿梭自如：

哪怕地形起伏较大，机器人被“卡住”后也能最终逃脱：

实验结果发现，这些机器人在平坦地形上的运动速度相似(Rg = 0)。在崎岖地形上运动时，具有更大的空间冗余的优势。

随着腿数的增加，即使没有传感器，机器人也能像理论预测的那样更灵活地穿越地形。

目前研究人员已经将他们的发现应用于农业，并计划使用这些机器人来为除草剂无效的农田除草。

未来，这款机器人还有望用于太空探索和搜救。研究人员表示，对于先进的双足机器人，通常需要许多传感器来实时控制它，但在搜索和救援、探索火星，甚至微型机器人等应用中，需要驱动具有有限感知能力的机器人。

接下来，研究人员还将继续改进机器人，他们正在确定机器人的最佳的腿数，以在不进行传感的情况下以一种经济高效但仍保留优势的方式实现运动。

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