最快的软跳跃机器人

文丨学术头条，作者丨库珀，编审丨寇建超】

跃起，机器人的舞蹈——跃升于障碍之上，拓宽活动边界

对于机器人而言，跳跃能力的赋予不仅仅是一个技术的突破，更是一种适应复杂环境的进化。在现实中，无论是面对崎岖不平的地形还是狭窄的空间环境，跳跃机器人都能展现出其独特的优势。它们不仅能够扩大活动范围，还能克服行进中的障碍，适应许多非结构化环境。跳跃，对于机器人而言，是一种十分重要的能力。

连续跳跃和方向可调整性，是地面机器人的基本特性之一。它们的多模态运动赋予了机器人更高的灵活性和适应性。尽管许多机器人都具备跳跃能力，但能真正展现快速连续跳跃并能控制转向运动的机器人却并不多见。这种复杂动作的完成往往需要精细的设计和复杂的编程技术。只有少数软跳跃机器人能够实现这样的高级动作。这些机器人拥有跨越障碍的能力，能够更灵活地适应各种环境。

如今，中国科研团队再次刷新了我们对机器人的认知。他们提出了一种基于软电静力学弯曲致动器的电静力学驱动的系绳无腿软跳跃机器人。这种机器人的重量仅为惊人的1.1克，长度只有短短的6.5厘米，厚度更是薄如蝉翼，仅有0.85毫米。尽管体积小巧，但其性能却十分强大。它能够实现高达7.68倍体高的跳跃高度和每秒6.01倍体长的连续向前跳跃速度。这意味着它在短时间内能够完成惊人的跳跃距离和高度。更令人惊叹的是，通过两个执行器单元的协同工作，这种机器人甚至能够实现每秒高达138.4°的转向速度。这一技术的突破无疑为我们带来了更多的想象空间和可能性。在未来的探索中，这些小巧而强大的机器人将在各种复杂环境中发挥巨大的作用。论文被发表在科学期刊《自然-通讯》上，主要作者来自重庆大学、哈尔滨工业大学等知名学府。研究团队成功将其他功能性电子设备集成到制动器上，使软体机器人具备了包括侦测环境变化在内的多种应用能力。未来，结构优化有望进一步提升软体机器人的跳跃性能，而无绳方案的深入研究则有望增强这类机器人的通用性。

有一部分机器人专门擅长跳跃，我们通常称之为储能跳跃机器人。这类机器人单次跳跃能力惊人，却因为需要经历额外的弹性储能过程，不得不牺牲一部分导航效率。

这些机器人的跳跃过程就像是一场精心策划的舞蹈，储能过程的延长虽然增加了跳跃的高度，却降低了着陆的稳定性，同时也减缓了跳跃的频率。不论是气动执行器、化学执行器还是电机驱动的软跳跃机器人，它们都需要复杂的导航策略和结构来辅助跳跃。基于DEAs和PVDF执行器的轻型软跳跃机器人能够通过简单弯曲身体部位进行跳跃，无需额外储能，因而拥有快速的跳跃频率。它们的跳跃性能（JHs和JDs）却不足以跨越较高的障碍物（<0.25体高）。

液压放大自愈静电（HASEL）执行器则通过改变内部液体的分布来实现液体的电液驱动，能够在短时间内产生跳跃所需的能量，而无需复杂的能量储存过程。这无疑为快速越障机器人提供了潜在的解决方案。这一技术面临三大挑战：

1. 在不堆叠的情况下如何提升单次跳跃的性能；

2. 如何实现快速恢复；

3. 如何生成向前跳跃以及转向跳跃。

为了克服这些技术难题，研究人员深入分析了这些机器人方案的优劣势和性能，并开始探索基于电静力学原理的新技术。他们通过快速弯曲和回弹的框架设计，增强了致动器的跳跃性能，以期推动机器人技术在跳跃领域的新突破。这种创新思路和技术手段为未来的机器人技术打开了新的大门，我们期待着更多的创新与突破在这一领域涌现。研究人员开发出了一款名为LSJR的新型跳跃机器人，这是一种由电液静力驱动的无腿软跳跃机器人。它巧妙地运用了软电液静力弯曲致动器（sEHBA），赋予了它快速、连续跳跃以及灵活转向和越障的能力。

这个小小的机器人，源于Nature Communications的精心设计。初步实验表明，sEHBA的快速响应特性使得LSJR拥有极短的启动时间，仅约10毫秒。在单次跳跃测试中，LSJR能够跃起1.46个身体长度，实现高达7.68个身体高度的跳跃（JH）。更惊人的是，它连续向前跳跃的速度达到了每秒390.5毫米，即每秒可跨越6.01个身体长度，并且其跳跃频率高达每秒4次。

更让人眼前一亮的是，研究人员成功证明双体LSJR的转向速度达到了惊人的每秒138.4°，这在软跳跃机器人领域中堪称翘楚。这种卓越的转向性能使得LSJR在复杂环境中具有极强的适应性，无论是狭窄的空间还是复杂的障碍地形，它都能轻松应对。

LSJR的出现无疑为软跳跃机器人领域注入了新的活力。它的出色性能以及灵活的操控性预示着它在未来有着广泛的应用前景，无论是在军事侦查、环境探测还是救援搜寻等领域，LSJR都将展现出其独特的优势。介绍LSJR机器人跳跃的奥秘与最佳性能参数探索

在图｜机器跳的原理和效果（来源：Nature Communications）中，展示了LSJR机器人的跳跃原理和效果。在充满科技气息的实验场景下，LSJR以其独特的连续跳跃运动，成功跨越了多种障碍物，展现了惊人的灵活性和适应性。这些障碍物既包括斜坡、电线等日常所见，也包括单步、连续步、环形障碍物以及砾石丘等不同形状的挑战。其中一些障碍甚至超过了机器人本身的体积。

深入探究其性能背后的秘密，我们发现LSJR由两个塑料半圆形袋构成，这些袋子采用双向取向聚丙烯（BOPP）薄膜材料制成。在这两个袋子上，印着柔性电极，这些电极用于潜在的电线连接。机器人的前部填充了介电液体，后部则填充了同样体积的空气。这种独特的设计使得LSJR在通电时，可以通过向两个电极施加高压来弯曲自身，从而产生向前跳跃的力和能量。与此后部的气囊起到了类似于动物尾巴的作用，帮助机器人在跳跃和着陆时保持平衡，这一设计在LSJR的整个结构中起到了至关重要的作用。

接下来我们要探索的是其最佳性能参数。了解这些参数如何影响机器人的跳跃能力、稳定性和效率，对于优化机器人的性能至关重要。在未来，我们期待LSJR机器人能够在更多领域得到应用，发挥其出色的跳跃能力，克服各种挑战，为我们的生活带来更多便利和可能性。经过研究人员的精心设计，一种新型半圆形分离HASEL（SCS-HASEL）致动器应运而生。该致动器由两个基于拉链机制的半圆形液体袋组成，其独特之处在于液-气布局，使得液-气致动器能够实现向前跳跃的功能。

当电极挤压液体电介质时，介电液体在电极的驱动下快速流动，使得LSJR得以通电并弯曲，从而获取初始动能。随后，致动器后半圆袋中的介电液体被等量的空气替换，同时移除了覆盖电极，使得介电液体能够在整个致动器中各向异性流动。这种设计理念使得LSJR机器人的跳跃性能得到了极大的提升。

为了进一步提高LSJR的跳跃性能，研究者们还尝试用氦气或其他密度较低的非爆炸性气体替换袋中的空气。这种创新设计不仅使机器人的跳跃能力得到了提升，还保证了其着陆的稳定性，避免了翻车的风险。

在实验中，两个重要的性能指标JD和JH被用来表征LSJR的跳跃性能。这两个指标与电极面积和非电极面积的比例r密切相关。当r=1:1时，机器人表现出更佳的JD和JH表现。过量的r值（如r=2:1）可能会影响BOPP薄膜的柔韧性，阻碍框架的正常弯曲，从而降低垂直地面反作用力。

这项研究不仅展示了新型致动器的独特设计理念和高性能运动原理，还为未来轻巧机器人的设计提供了有益的参考。如图所展示的LSJR移动前进测试（来源：Nature Communications），这一技术有着广阔的应用前景和巨大的发展潜力。连续向前跳跃速度在机器人领域中的卓越表现

谈及连续向前跳跃速度（CFJS），这是连续向前跳跃机器人的一个核心性能特征。在特定的电压和频率下，机器人的跳跃速度能达到惊人的程度。想象一下，在10 kV和4 Hz的条件下，平均旋转速度高达138.4°/s。据最新论文报道，这是现有软跳跃机器人中的速度之最，特别是在木板上的表现尤为突出。

不同的环境对机器人的连续跳跃能力有着巨大的影响。在光滑如镜的玻璃板上，同样的电压和频率条件下，平均跳跃速度会大幅下降，仅为27.9°/s。这充分说明，足够的基板表面粗糙度对于机器人的连续运动至关重要。它不仅防止机器人在运动中打滑，还影响机器人的转向行为。

除了速度，LSJR机器人还具备出色的越障能力。在复杂的非结构化环境中，它都能游刃有余地完成探索、检查和侦察任务。想象一下，在10 kV的外加电压和4 Hz的驱动频率下，LSJR能以CFJS 16.3 mm/s（相当于0.25个体长/秒）的速度攀爬玻璃板（倾斜角度为3°）。不仅如此，它还能跨越直径为6.3 mm的电线、8 mm高的台阶以及连续的台阶。

更令人印象深刻的是，在障碍物高度间隔为4 mm的穿越试验中，LSJR展现了惊人的穿越能力。它可以穿越的最大高度达到14 mm（长方体），18 mm（三角棱镜和圆柱体）。甚至在有大量砾石（大小在3到6 mm之间）的砾石丘中，它也能游刃有余地穿梭其中。这种机器人技术无疑为我们探索未知领域开辟了新的可能。更多有趣的演变：LSJR机器人的跃动之旅

图中展示的是LSJR机器人在移动前进测试中的障碍跨越情景（来源：Nature Communications）。这幅画面背后的科技令人惊叹，同时也充满了趣味性和探索性。

LSJR机器人凭借其低剖面、轻量化、模块化和经济高效的特点，已经展现了其非凡的潜力。通过简单的控制策略，这种机器人就能够实现快速、连续的运动，以及转向跳跃、承载和越障的能力。

这种机器人的运动方式是基于特殊的液气布局和边缘固定预弯框架，实现了由周期性马鞍形弯曲和各向异性液体流引起的快速连续向前和转向跳跃运动。这一设计巧妙地解决了HASEL致动器的三大局限性：无法实现的向前和转向跳跃、没有堆叠的单跳性能较弱以及无法快速恢复。

在连续向前跳跃运动中，LSJR的表现更是出色。每次跳跃的角度偏差被精准地控制在8°以内，确保了机器人的稳定性和精准度。更令人印象深刻的是，机器人的最大跳跃高度可以达到18毫米，展现了其强大的越障能力。

随着科技的不断发展，我们期待LSJR机器人在未来能够带来更多的惊喜和突破，为我们的生活和工作带来更多的便利和乐趣。LSJR的跳跃能力不仅依赖于外部电压，还受到各种运动基板表面纹理的影响。在相同的外部电压（10 kV，4 Hz）下，玻璃基板因其光滑表面产生了最低的摩擦，使得CFJS达到了95.6 mm/s，相当于1.47体长/秒。这也限制了该机器人在光滑表面上的跳跃应用。

研究人员指出，LSJR具有广泛的应用前景。通过连接光和软温度传感器、膏和光致变色染料等，它可以检测和记录环境变化，如温度和紫外线。通过集成其他传感器，LSJR还能检测更多的环境因素，如在工业环境和民用建筑中的污染物。

接下来的研究重点将放在sEHBA的可扩展性和参数优化上，以进一步提升跳跃性能。团队还计划开发无约束LSJR和基于sEHBA的其他软机器人应用，如爬墙机器人、游泳机器人和扑翼机器人等。这些研究和开发将为LSJR的广泛应用奠定坚实的基础。