一条腿的机器人如何实现“松鼠级跑酷”？ Science Robotics揭秘自然界奥秘

近日，来自UC伯克利、伊利诺伊、MIT的研究人员联手在《Science
Robotics》发表的黑科技研究中，单腿机器人Salto-1P成功实现了松鼠级跑酷。这不仅是机器人领域的一项重要突破，更揭开了自然界运动奥秘的神秘面纱，为救灾机器人、深空探测器等特种装备研发开辟了新路径。

▍松鼠的跑酷秘诀：不只是抓得牢

你一定见过松鼠在树枝间飞跃的样子，它们能够以每秒5米的弹跳速度跨越数倍体长的间隙，在直径不足2厘米的枝条上精准着陆，甚至能在失足瞬间通过“空中杂技”调整姿态逃生。这是怎么做到的？

研究人员发现了一个出人意料的秘密：松鼠主要靠的不是抓握力，而是巧妙控制身体与树枝之间的距离！

传统的机器人平衡控制主要依靠两种方法：调整足部位置和利用足部力矩。但在细树枝上，这两种方法都不太管用：树枝太细，产生不了大力矩；空间太小，没法随意调整脚的位置。

研究团队发现了关键所在——“径向力”！简单说，就是沿着从足部到身体重心方向的推拉力。这种力量有两大优势：不受支撑面大小限制，而且跳跃动物本来就需要强大的腿部力量，这样就能“一力多用”。

实验结果惊人：结合径向力控制和传统力矩控制，可平衡着陆的条件范围扩大了230%至470%！这意味着，即使着陆姿势和速度不那么理想，也能成功平衡，大大提高了适应复杂环境的能力。

研究团队搭建了松鼠版”极限跑酷场”，配备高速摄像机、力传感器和3D追踪系统，全方位记录松鼠的跳跃表演。他们发现，松鼠跳跃还有四大秘诀：

• 精准测距：先评估目标枝条的距离和稳定性，目标远时，它会降低腿部角度增强弹跳。枝条不稳时，降速跳跃并频繁调姿。

• 力量调控：远枝加大起跳力，细枝减小跳跃幅度。枝条细时，前腿先着陆最大化稳定性。

• 空中微操：不是直线飞行，而是实时扭动身体调整角度。前腿吸收86%冲击力，通过肩部巧妙传力；落地姿势不对？瞬间通过脚掌抓地和身体扭转完成自救。

• 精准着陆：前腿吸震、脚掌调姿，稳如泰山。高速着陆增强制动，低速着陆减少制动防翻倒。

▍Salto-1P的进化：单腿机器人的”松鼠三件套“

看到这里，你可能会想：这种平衡技巧真的实用吗？研究团队用实际行动给出了答案。

他们选择了单腿机器人Salto-1P作为实验平台。为了让Salto机器人更好地模仿松鼠的卓越运动能力，研究团队实施了三项关键技术改进：

首先，研究人员为Salto装配了电动飞轮系统（反作用轮）。这个装置的工作原理类似于人类通过摆动手臂来维持平衡的方式，能够在机器人空中飞行时旋转，帮助Salto实时调整身体姿势，从而更加精确地控制它的着陆角度。

其次，科学家们开发了一套创新的腿部刹车机制。这一设计灵感来自松鼠用前腿缓冲落地冲击的自然策略。当Salto接触地面的瞬间，该系统会立即激活，有效降低冲击力，同时提升机器人在窄小平台上站稳的能力。

最后，考虑到Salto缺乏松鼠那样用脚掌抓握树枝的天然优势，研究团队专门设计了特殊的低摩擦抓手装置，也能够测试径向力平衡控制的效果。这一巧妙设计确保了Salto在落地过程中不会因为产生额外的扭矩而失去平衡。

同时，这个抓手不靠电力驱动，而是利用巧妙的机械结构，能在接触树枝时自动形成一个“笼子”将树枝锁住。

在30次实验中，Salto-1P成功抓住树枝25次！更令人惊讶的是，有两次它还实现了完美的直立平衡着陆，就像松鼠一样站在树枝上！

▍从松鼠到机器人：自然启发的未来

这项研究不仅是技术上的突破，更展示了向自然学习的强大力量。通过对比松鼠和机器人的表现，研究团队总结出四个平衡着陆的关键因素：

强大精准的跳跃能力：必须能够跨越大间隔并精确命中小目标。

更水平的跳跃轨迹：研究发现，水平角度的着陆比垂直落下更容易平衡，这与大多数人的直觉相反！

控制重心与支撑点的距离：松鼠能将身体缠绕在树枝周围，使重心更靠近支撑点；而Salto则受到10厘米最小距离的限制。

径向力与力矩的组合控制：两种控制方式结合使用，效果远超单独使用任何一种。

研究还揭示了一个有趣的跳跃-着陆权衡关系：为了跳得更远，机器人通常会使用串联弹性元件（类似弹簧）来储存和释放能量，但这会降低控制响应速度，影响着陆平衡。这就像运动员面临的困境：全力冲刺会影响最后的精准控制。

想象未来的应用场景：搜救机器人能在地震废墟中敏捷跳跃；环境监测机器人可以像松鼠一样在森林中穿梭； 太空探索机器人一次跳跃就可以跨越很远距离；家用机器人也能轻松应对台阶、家具等障碍物……

这项研究还有一个更深层的启示：我们对自然界中看似简单的动作，可能理解得并不全面。松鼠的跳跃看起来很普通，但背后蕴含的控制策略却出人意料地精妙。大自然是最伟大的发明家，而科学则是破译这些发明的钥匙。

下次当你看到松鼠在树枝间轻盈跳跃时，不妨多看几眼——它们在表演的，可是最前沿的动力学和控制理论~

最后，你最想看到这种松鼠启发的机器人应用在什么场景？欢迎在评论区分享你的奇思妙想！

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adq1949