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六足机器人到底怎么倒腾腿才能移动最快?

通常,从生物身上取经的机器人学家都要掌握生物进化的精髓,并将这些精髓巧妙地运用在机器人身上,让它们变得“更快、更高、更强”。生物进化本身就是最聪明的设计师,经过它打磨的生物一般机器人很难超越,因此机器人学家其实就是在对抗大自然数千万年试错得来的经验。

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一篇发表在《自然通讯》上的论文引起了许多人的注意,来自瑞士联邦洛桑高等工业大学(EPFL)的研究人员展示了他们的研究结果:对于六足昆虫来说,双足步态(即一次动两条腿)才是最快且最高效的移动方式。

 

  通常来说,多足动物要实现最有效的移动方式必须满足一个条件,那就是尽量减少腿部接触地面的时间。其实这个原理很容易懂,就拿我们最常见的哺乳动物来说,一旦速度加起来,动物的动作就像是一系列的动态跳跃,而非简单的加速走。不过,六足昆虫稍有不同,它们通常都是三足落地,无论速度多快都是这样。

 

  这样的行为从效率的角度来看有些不同寻常,三足步态通常比双足步态要笨拙,因为对于六足动物来说,双足步态一个循环可以获得三次动力冲程,而三足步态却只能得到两次。随后的实验也验证了这一观点,采用双足步态的六足机器人在速度上比采用三足步态的快上 25%。

 

  因此,如果你在从事六足机器人的研发,且能完美的控制机器人的动态稳定性,双足步态绝对是你的最好选择。

 

  生物进化到底出了什么问题?六足昆虫为什么要反其道行之,故意把速度放慢25%呢?

 

  经过研究,EPFL的大牛们发现了缘由:原来选择三足步态也是进化的选择,六足昆虫通常要攀过矮墙或者天花板,采用三足步态的话,其中一足就能紧紧抓住物体表面,而两足步态只适合于平地这种理想的环境。

 

  更神奇的是,当研究人员在蝇类昆虫的脚上沾了一层没有粘性的聚合物后(昆虫的脚原本是有粘性的),它们就开始慢慢转换成双足步态了。不过,取得这样的成果无法让研究人员满足,随后他们又将蝇类放在了一个光滑的表面,结果发现它们又换回了三足步态。研究人员认为步态的变化可能是昆虫自己的传感反馈或腿部的粘连结构造成的。研究人员还做了一个大胆的猜测,当昆虫的脚一直黏黏的时候,用三条腿来挣脱与地面的接触会更加有力。

 

  笔者非常喜欢这项研究,因为它同时做了两件非常酷的事情:首先,研究人员用机器人模拟出了到底哪种步态才最快,这对高速六足机器人的研发有非常重要的指导意义。第二,该研究揭示了六足昆虫采用三足步态的真正原因,这对制造最棒的仿生机器人也有重要的参考作用。


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