“美人鱼”机器人登上Nature封面
生物进化过程是通过进化完善的遗传程序为动物提供了身体形状，使它们能够在其主要类型的栖息地有效地移动。但这些适应性往往以在其他环境中的低效表现为代价。同样，当工程师设计移动机器人时，他们倾向于在单一操作环境的基础上选择设备的结构和行为。其结果是固定的结构和行为，在一个环境中表现出色，但却影响了机器人适应其他环境的能力。目前，移动机器人的扩散跨越生态监测、仓库管理和极端环境探索，到个人消费者的家中。这种不断扩大的应用前沿要求机器人在多个环境中运行，这是传统机器人设计策略尚未有效解决的重大挑战。
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近日，耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio教授课题组从陆生和水生乌龟身上得到的灵感，运用了"适应性形态发生"的设计策略，建造了一个机器人，它融合了传统的刚性部件和软性材料，从根本上增强了其四肢的形状，并为多环境的运动改变了其步态。步态、肢体形状和环境介质的相互作用证实了控制机器人运输成本的重要参数。结果证明，自适应形态发生是提高移动机器人遇到非结构化、不断变化的环境的效率的有力方法。相关成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题发表在最新一期Nature上，并作为Nature封面。
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作者认为，一个机器人可以通过"适应性形态发生"来实现跨环境运动的专业化：通过统一的结构和驱动系统来实现适应性形态和行为。为此，作者合并了水生和陆生运动的专门形态特征创造了两栖机器人龟（ART）（图1a）。通过一个单一的类似乌龟的身体计划，ART通过刺激响应的软材料和传统的机器人组件的结合，采用了自适应的形态发生。使用可变刚度的复合材料（图1b），在一系列步态的配合下，ART能够在水下游泳，在水面上游泳，在各种基质上运动，以及在陆地和水之间过渡。
图1：海龟启发的两栖机器人
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ART的身体有一个变形肢体，能够根据环境调整其硬度和形状，完全集成到机器人结构中，以获得测试的效率。身体包括四个子系统：底盘、外壳、肩关节和变形肢体。底盘容纳电子元件，外壳提供流线型、用于浮力调整的压载空间、有效载荷存储和保护。肩部关节在运动学配置中各有三个马达，以实现一系列的步态（图1c）。由一对拮据的气动执行器组成的变形肢体与粘附在热固性聚合物上的应变限制层连接到每个肩关节。通过嵌入的加热器加热热固性材料使其软化，并给气动推杆充气，使肢体的横截面积和硬度发生变化。这些变化使ART的肢体能够在有利于行走的圆柱形几何形状和有利于游泳的平鳍几何形状之间进行适应性变形。在水中测试时，ART的浮力可调整为表面和水下游泳（图2a）。随着四肢变形为脚蹼模式，作者研究了划水和拍打运动。划水步态是一个相对于机器人身体向后的划水动作，随后是一个向前和向背的羽化恢复动作。拍打步态的特点是由连续的上冲和下冲组成的垂直运动轮廓。通过将ART固定在一个多轴负荷传感器上获得的向前（Fx）和向上（Fz）的方向力，阐明了划水和最佳拍打步态之间的COT差异（图2c，d）。Fx的图表表明，在划水步态的恢复部分产生了反作用力，导致ART明显减速或向后移动（图2c）。只有27%的划水动作构成了生产性推力。在拍打步态的下冲过程中，ART也会减速，但在95%的冲程中保持有成效的Fx推力（图2d）。
图2：游泳
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接着作者在瓷片、混凝土和花岗岩为代表室外城市环境的基质上评估了陆地运动策略。作者实施了一种静态稳定的爬行步态，当爬行时，ART每次只有一个肢体离开地面，同时逐步转动其身体向前移动（图3a,b）。ART的左后肢远端在不同基质上匍匐前进时的三维运动捕捉显示了一致的扫动轨迹和步长，验证了该步态的有效性（图3c）。同时运动捕捉数据也帮助解释不同基质的COT差异。Z轴数据投影（z*）包含（1）当ART摆动腿部进行踏步阶段时的急剧增加），以及（2）与地形相互作用相应的振动特征（图3d）。z轴数据在步态周期中的漂移表明ART行走时腿部逐渐伸展或收拢。作者计算了z轴数据与理想的、完全稳定的轨迹（z）的偏差，在这个过程中，ART的肢体将完全与地面接触，COT和S之间的正相关关系强调了与基体保持无滑移接触的重要性（图3e），与基体有关的滑移可归因于摩擦和地形特征。
图3：行走
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作者选择了类似于海滩海龟运动的爬行步态作为在过渡基质上的运动方式。当爬行时，ART躺在腹部，同时利用前后肢体串联，略微向上抬起，并向后推，以实现向前推进（图4a、b）。爬行可以分散机器人的重量，减轻灾难性的滑行，并防止在运动过程中被困住。通过爬行，ART能够成功穿越两种过渡地形，其COT值比在陆地上爬行时高出140%。作者还做了基质和ART的组成材料之间进行了摩擦试验，以解释爬行时的COT升高。结果显示，外壳的COT与静态摩擦系数（μ）之间呈正相关，而肢体材料的COT与μ之间呈负相关（图4c），这表明支配COT的主要力学因素是ART的甲壳沿基质的滑动。
图4：在过渡基板上爬行
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作者将ART在水中、陆地上（图5a,b）和过渡基质上的运动策略结合起来，创造了一个从陆地到水生的过渡路线（图5c）。过渡地点由一个海洋入口组成，那里有坚硬的鹅卵石土壤，流向潮湿的沙质区域，然后变成布满岩石和植物的浅滩。ART使用腿部模式和匍匐前进的方式来穿越坚硬的土壤部分。当ART接近水面时，基质变得更加饱和，它开始爬行，以确保稳定性，防止直立步态的集中点负荷深入到基质中。ART并没有在开阔的水面上走很远，在变形之前，它把四肢抬出水面。当它在浅水区仅部分被淹没时，它依靠划水来游泳。ART记录了它在运输过程中的环境，对其周围环境造成的破坏很小。ART的最小COT性能与许多陆生和水生动物和机器人的性能进行了比较（图5d）。由于专门针对多种环境，ART的表现与最先进的单模态水生或陆生机器人相近，在某些情况下甚至超过了后者。最重要的是，ART可以在非结构化的环境中过渡，同时保持与单模态机器人相当或更好的性能。
图五：实况情景模拟
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小结：在非结构化的动态环境中，例如陆地到水的过渡，作者发现将身体形状和行为视为可以调整的变量的机器人设计可以提高效率。更广泛的含义是，未来的机器人可以使用自适应形态发生来专业化，而不仅仅是一个环境，而是多个环境。
