科學(xué)家開發(fā)出蜥虎柔性機(jī)器人，有望實(shí)現(xiàn)無人機(jī)等飛行機(jī)器人穩(wěn)定著陸

近日，科學(xué)家受亞洲蜥虎尾巴擺動(dòng)的啟發(fā)，研發(fā)出兩個(gè)仿生蜥虎柔性機(jī)器人，有望為無人機(jī)等飛行機(jī)器人平穩(wěn)且安全地降落起到關(guān)鍵作用。

相關(guān)論文以《尾巴使滑動(dòng)壁虎頭朝下撞到樹干以穩(wěn)定著陸》為題發(fā)表，由德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所教授阿迪安·朱蘇菲擔(dān)任通訊作者。

迄今為止，在鳥類、蝙蝠和許多昆蟲等動(dòng)力飛行中，著陸力可能遠(yuǎn)低于起飛力，著陸前速度的降低主要靠翅膀?qū)崿F(xiàn)。對于松鼠、蜥蜴和青蛙這樣沒有翅膀的動(dòng)物而言，著陸時(shí)會受到巨大的地面滑翔力，它們以相對較高的速度轉(zhuǎn)向著陸目標(biāo)。

相比之下，該團(tuán)隊(duì)研究的亞洲蜥虎與大多數(shù)滑翔機(jī)相比具有非常高的翼載荷。通過記錄滑翔軌跡，該團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)，亞洲蜥虎滑翔角的陡峭程度大約是蜥蜴等特殊滑翔機(jī)的兩倍，滑翔比是其他動(dòng)物的一半。

不同的物種從空中向垂直地面著落時(shí)，都有自己獨(dú)特的方式。該團(tuán)隊(duì)主要對生活在東南亞雨林中的蜥虎進(jìn)行了量化分析，用相機(jī)記錄了亞洲蜥虎在高速滑翔時(shí)的動(dòng)作軌跡，發(fā)現(xiàn)亞洲蜥虎身體與樹干接觸之前并未減速，而是通過調(diào)節(jié)頭部撞擊、軀體接觸角度和尾巴擺動(dòng)的行為防止摔落。

該團(tuán)隊(duì)采用分組實(shí)驗(yàn)法，進(jìn)一步探索亞洲蜥虎的平穩(wěn)著落是否與“尾巴的擺動(dòng)”密切相關(guān)。研究人員選取了30只亞洲蜥虎樣本，觀察它們從森林某個(gè)位置向樹木跳躍的過程，再用更高精度的相機(jī)記錄了其中16只亞洲蜥虎向下跳躍的軌跡。

亞洲蜥虎的著陸過程可以分為五個(gè)階段。首先，亞洲蜥虎跳躍到目標(biāo)位置時(shí)，身體需向上傾斜僅16度±8.4度。當(dāng)這一動(dòng)作完成從空中下落時(shí)，亞洲蜥虎頭部和軀干前部開始接觸并進(jìn)行動(dòng)能轉(zhuǎn)移，頭部和軀干的碰撞增加了角動(dòng)量，使得軀干向樹干下方移動(dòng)。

接下來，亞洲蜥虎后腿接觸垂直樹枝表面，它沒有從樹上滑向森林地面，而是在腹側(cè)方向拱起后腿。在第四階段，前腳開始超過附著的樹枝與樹枝脫離。在最后階段，亞洲蜥虎將尾巴壓在樹上后仰，身體部位開始向后旋轉(zhuǎn)離開著力點(diǎn)。

頭部最先撞擊樹枝會給亞洲蜥虎帶來較大的俯仰角動(dòng)能，它可以通過尾巴的擺動(dòng)產(chǎn)生長臂力，使蜥虎的身體通過向后傾斜以逐漸對沖這種動(dòng)力，并最終以較小的力量成功著陸。該團(tuán)隊(duì)將這種特別的動(dòng)作稱為“防墜落反應(yīng)”。

結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)三種情況，大部分亞洲蜥虎可以穩(wěn)定地降落在樹枝上，少部分亞洲蜥虎因?yàn)闆]有控制好平衡被滑落地面，尤其是沒有尾巴的亞洲蜥虎，即便能短暫地停留，但最后還是未能平穩(wěn)著落在樹枝上。

于是，科學(xué)家大膽設(shè)想，亞洲蜥虎從高處向下跳躍能否平穩(wěn)著落，“尾巴的擺動(dòng)”是阻止其摔落的核心因素。因此，科學(xué)家開發(fā)了兩個(gè)與亞洲蜥虎機(jī)構(gòu)類似的軟體機(jī)器人，對這一設(shè)想進(jìn)一步驗(yàn)證。

亞洲蜥虎軟體機(jī)器人的頭部能以6.0m/s±0.9m/s著陸速度先碰撞彈道短程俯沖。在著陸的過程中姿勢不斷變化，接近著力點(diǎn)時(shí)，逐漸向上傾斜，在53度±5.8度保持恒定。通過滑翔持續(xù)時(shí)間的速度圖譜，能看到它們接近樹枝著力的目標(biāo)時(shí)，亞洲蜥壁虎降低了速度，嘗試穩(wěn)定著陸。

由于缺乏專門的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)，21只壁虎中有4只在撞擊時(shí)仍在加速。因此，亞洲蜥虎在著陸前將速度降低60%，避免在高速著陸時(shí)增加受傷或墜落到森林地面的風(fēng)險(xiǎn)。

在蜥虎軟體機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)中可以觀察到成功和失敗著陸現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)模型中所表征的失敗著陸情況不受俯仰的控制，后腳與著力點(diǎn)接觸喪失。俯仰使蜥虎軟體機(jī)器人模型能夠更加緩慢、更小地消耗在著陸初始階段獲得的角動(dòng)量，因此滑翔動(dòng)力能的逐漸完全減速和吸收比沒有俯仰和部分脫離著陸表面的可能性更大。

該團(tuán)隊(duì)的蜥虎軟體機(jī)器人物理模型實(shí)驗(yàn)演示，證明了通過機(jī)械調(diào)?？稍鰪?qiáng)著陸的穩(wěn)定性，未來有望實(shí)現(xiàn)無人機(jī)等飛行機(jī)器人在垂直的地面上穩(wěn)定且安全地降落。（摘自美《深科技》） （編輯/多洛米）