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147生物進化過程是通過進化完善的遺傳程序為動物提供了身體形狀，使它們能夠在其主要類型的棲息地有效地移動。但這些適應性往往以在其他環(huán)境中的低效表現(xiàn)為代價。同樣，當工程師設(shè)計移動機器人時，他們傾向于在單一操作環(huán)境的基礎(chǔ)上選擇設(shè)備的結(jié)構(gòu)和行為。其結(jié)果是固定的結(jié)構(gòu)和行為，在一個環(huán)境中表現(xiàn)出色，但卻影響了機器人適應其他環(huán)境的能力。目前，移動機器人的擴散跨越生態(tài)監(jiān)測、倉庫管理和極端環(huán)境探索，到個人消費者的家中。這種不斷擴大的應用前沿要求機器人在多個環(huán)境中運行，這是傳統(tǒng)機器人設(shè)計策略尚未有效解決的重大挑戰(zhàn)。
近日，耶魯大學Rebecca Kramer-Bottiglio教授課題組從陸生和水生烏龜身上得到的靈感，運用了"適應性形態(tài)發(fā)生"的設(shè)計策略，建造了一個機器人，它融合了傳統(tǒng)的剛性部件和軟性材料，從根本上增強了其四肢的形狀，并為多環(huán)境的運動改變了其步態(tài)。步態(tài)、肢體形狀和環(huán)境介質(zhì)的相互作用證實了控制機器人運輸成本的重要參數(shù)。結(jié)果證明，自適應形態(tài)發(fā)生是提高移動機器人遇到非結(jié)構(gòu)化、不斷變化的環(huán)境的效率的有力方法。相關(guān)成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”為題發(fā)表在最新一期Nature上，并作為Nature封面。
作者認為，一個機器人可以通過"適應性形態(tài)發(fā)生"來實現(xiàn)跨環(huán)境運動的專業(yè)化：通過統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)適應性形態(tài)和行為。為此，作者合并了水生和陸生運動的專門形態(tài)特征創(chuàng)造了兩棲機器人龜（ART）（圖1a）。通過一個單一的類似烏龜?shù)纳眢w計劃，ART通過刺激響應的軟材料和傳統(tǒng)的機器人組件的結(jié)合，采用了自適應的形態(tài)發(fā)生。使用可變剛度的復合材料（圖1b），在一系列步態(tài)的配合下，ART能夠在水下游泳，在水面上游泳，在各種基質(zhì)上運動，以及在陸地和水之間過渡。
圖1：海龜啟發(fā)的兩棲機器人
ART的身體有一個變形肢體，能夠根據(jù)環(huán)境調(diào)整其硬度和形狀，完全集成到機器人結(jié)構(gòu)中，以獲得測試的效率。身體包括四個子系統(tǒng)：底盤、外殼、肩關(guān)節(jié)和變形肢體。底盤容納電子元件，外殼提供流線型、用于浮力調(diào)整的壓載空間、有效載荷存儲和保護。肩部關(guān)節(jié)在運動學配置中各有三個馬達，以實現(xiàn)一系列的步態(tài)（圖1c）。由一對拮據(jù)的氣動執(zhí)行器組成的變形肢體與粘附在熱固性聚合物上的應變限制層連接到每個肩關(guān)節(jié)。通過嵌入的加熱器加熱熱固性材料使其軟化，并給氣動推桿充氣，使肢體的橫截面積和硬度發(fā)生變化。這些變化使ART的肢體能夠在有利于行走的圓柱形幾何形狀和有利于游泳的平鰭幾何形狀之間進行適應性變形。在水中測試時，ART的浮力可調(diào)整為表面和水下游泳（圖2a）。隨著四肢變形為腳蹼模式，作者研究了劃水和拍打運動。劃水步態(tài)是一個相對于機器人身體向后的劃水動作，隨后是一個向前和向背的羽化恢復動作。拍打步態(tài)的特點是由連續(xù)的上沖和下沖組成的垂直運動輪廓。通過將ART固定在一個多軸負荷傳感器上獲得的向前（Fx）和向上（Fz）的方向力，闡明了劃水和最佳拍打步態(tài)之間的COT差異（圖2c，d）。Fx的圖表表明，在劃水步態(tài)的恢復部分產(chǎn)生了反作用力，導致ART明顯減速或向后移動（圖2c）。只有27%的劃水動作構(gòu)成了生產(chǎn)性推力。在拍打步態(tài)的下沖過程中，ART也會減速，但在95%的沖程中保持有成效的Fx推力（圖2d）。
圖2：游泳
接著作者在瓷片、混凝土和花崗巖為代表室外城市環(huán)境的基質(zhì)上評估了陸地運動策略。作者實施了一種靜態(tài)穩(wěn)定的爬行步態(tài)，當爬行時，ART每次只有一個肢體離開地面，同時逐步轉(zhuǎn)動其身體向前移動（圖3a,b）。ART的左后肢遠端在不同基質(zhì)上匍匐前進時的三維運動捕捉顯示了一致的掃動軌跡和步長，驗證了該步態(tài)的有效性（圖3c）。同時運動捕捉數(shù)據(jù)也幫助解釋不同基質(zhì)的COT差異。Z軸數(shù)據(jù)投影（z*）包含（1）當ART擺動腿部進行踏步階段時的急劇增加），以及（2）與地形相互作用相應的振動特征（圖3d）。z軸數(shù)據(jù)在步態(tài)周期中的漂移表明ART行走時腿部逐漸伸展或收攏。作者計算了z軸數(shù)據(jù)與理想的、完全穩(wěn)定的軌跡（z）的偏差，在這個過程中，ART的肢體將完全與地面接觸，COT和S之間的正相關(guān)關(guān)系強調(diào)了與基體保持無滑移接觸的重要性（圖3e），與基體有關(guān)的滑移可歸因于摩擦和地形特征。
圖3：行走
作者選擇了類似于海灘海龜運動的爬行步態(tài)作為在過渡基質(zhì)上的運動方式。當爬行時，ART躺在腹部，同時利用前后肢體串聯(lián)，略微向上抬起，并向后推，以實現(xiàn)向前推進（圖4a、b）。爬行可以分散機器人的重量，減輕災難性的滑行，并防止在運動過程中被困住。通過爬行，ART能夠成功穿越兩種過渡地形，其COT值比在陸地上爬行時高出140%。作者還做了基質(zhì)和ART的組成材料之間進行了摩擦試驗，以解釋爬行時的COT升高。結(jié)果顯示，外殼的COT與靜態(tài)摩擦系數(shù)（μ）之間呈正相關(guān)，而肢體材料的COT與μ之間呈負相關(guān)（圖4c），這表明支配COT的主要力學因素是ART的甲殼沿基質(zhì)的滑動。
圖4：在過渡基板上爬行
作者將ART在水中、陸地上（圖5a,b）和過渡基質(zhì)上的運動策略結(jié)合起來，創(chuàng)造了一個從陸地到水生的過渡路線（圖5c）。過渡地點由一個海洋入口組成，那里有堅硬的鵝卵石土壤，流向潮濕的沙質(zhì)區(qū)域，然后變成布滿巖石和植物的淺灘。ART使用腿部模式和匍匐前進的方式來穿越堅硬的土壤部分。當ART接近水面時，基質(zhì)變得更加飽和，它開始爬行，以確保穩(wěn)定性，防止直立步態(tài)的集中點負荷深入到基質(zhì)中。ART并沒有在開闊的水面上走很遠，在變形之前，它把四肢抬出水面。當它在淺水區(qū)僅部分被淹沒時，它依靠劃水來游泳。ART記錄了它在運輸過程中的環(huán)境，對其周圍環(huán)境造成的破壞很小。ART的最小COT性能與許多陸生和水生動物和機器人的性能進行了比較（圖5d）。由于專門針對多種環(huán)境，ART的表現(xiàn)與最先進的單模態(tài)水生或陸生機器人相近，在某些情況下甚至超過了后者。最重要的是，ART可以在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中過渡，同時保持與單模態(tài)機器人相當或更好的性能。
圖五：實況情景模擬
小結(jié)：在非結(jié)構(gòu)化的動態(tài)環(huán)境中，例如陸地到水的過渡，作者發(fā)現(xiàn)將身體形狀和行為視為可以調(diào)整的變量的機器人設(shè)計可以提高效率。更廣泛的含義是，未來的機器人可以使用自適應形態(tài)發(fā)生來專業(yè)化，而不僅僅是一個環(huán)境，而是多個環(huán)境。
