國際仿生工程學會 - 研究透視：Nature-仿生跳躍機器人-高度無極限－鑽石舞台

幾個世紀以來，科學家們一直在探索生物跳躍高度的極限，幾十年來，工程師們設計了諸多跳躍機器人，這些機器經常模仿生物跳躍，或從生物跳躍獲得靈感。不過，目前依然缺乏通用性的跨尺度比較分析，以確定生物跳躍者和工程engineered跳躍機器的能量學。

今日，美國加利福尼亞大學(University of California)Elliot W. Hawkes，Charles Xiao等，聯合迪士尼研究中心(Disney Research)，在Nature上發文，報道展示了生物跳躍者和人工跳躍者，在跳躍能量學上的關鍵差異。生物跳躍者的跳躍高度受到其線性馬達(肌肉)，在單次衝程中所能產生功的限制。相比之下，工程設備的跳躍高度可以大得多，因為其棘輪或旋轉電機，可以在重複衝程或旋轉過程中「成倍增加工作multiply work」。由於能量產生的這些差異，生物和人工跳躍者應該具有不同的設計，以最大限度地提高跳躍高度。根據這些見解，創造了一種可以跳過30米高的設備，比現有工程跳躍機器人高得多，比最好的生物跳躍高出一個數量級。該項研究工作，推進了對跳躍 jumping的理解，展示了新的性能水平，並強調了考慮工程系統和生物系統之間差異的重要性。

Engineered jumpers overcome biological limits via work multiplication.

跳躍機器人通過機構重複衝程克服生物限制。

圖1：建模框架的圖形概述。

圖2：生物與工程、直接驅動與彈簧驅動跳躍與能量上限趨勢。

圖3：超過30米的仿生跳躍 engineered jumper

該項研究，提出了仿生跳躍建模，見解和演示。通過建模發現，生物跳躍者比能產生不能超過馬達的比功，但通過功的倍增，工程跳躍者可以克服這一限制，從而有可能跳得更高。因此，生物跳躍者和工程跳躍者有不同的設計，最大化特定的跳躍能量以及跳躍高度的限制，根據這三個設計見解，設計了一種跳躍器，可以演示30米以上的高度。

模型表明，對於電磁電機和當前可用材料的跳線，這接近可行的極限。在比能量生產中，假設彈簧比能量接近固體彈性彈簧可用材料的極限，則主要的潛在改進在於彈簧-馬達質量比。即使將比率從1.2增加到無窮大，也只會增加大約17%跳躍高度。在比能量利用中，主要的改進來自於通過增加規模scale，最小化阻力效應；其他損失的改善空間較小。然而，將所呈現的跳躍器等距縮放10倍（預測的最佳值，其足夠大以消除阻力，但不會太大而導致其他損失）將導致跳躍高度僅增加19%。

最後，特定設計權衡了適應性，就像在生物跳線中發現的那樣，以獲得高性能。然而，這一研究結果改變了跳躍作為一種運動方式的含義，改變了跳躍的使用方式和地點。在地球上，跳躍機器人可以克服以前只有飛行機器人才能導航的障礙，同時收集地面的視覺數據（見視頻5），而在月球上，所展示的跳躍者的跳躍將更高：125米高，一次跳躍可達半公里。該項工作，從根本上推進了對跳躍這一「特別吸引人的主題「peculiarly attractive subject」」理解，並強調了考慮生物系統和工程系統之間差異的重要性。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04606-3

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04606-3

本文譯自Nature。