美人鱼机器人登上Nature封面

近日，耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio教授的研究团队从生物进化的启示中汲取灵感，开发出一种具有革新性的机器人设计策略，被刊登在最新一期Nature杂志上并作为封面报道。这一策略被称为"适应性形态发生"，其灵感来源于陆生和水生乌龟的自然过渡。这种设计理念旨在突破传统机器人设计策略的局限性，使机器人在面对多变环境时展现出更高的适应性。

在传统的机器人设计中，工程师往往基于单一操作环境来选定设备的结构和行为，这导致机器人在其他环境中的表现受限。自然界的生物进化过程为动物们提供了适应各种栖息地的身体形状，使它们能够在多种环境中有效移动。受此启发，Kramer-Bottiglio教授团队融合了传统的刚性部件和软性材料，创造了一种名为"两栖机器人龟"（ART）的新型机器人。

ART机器人通过统一的结构和驱动系统实现了适应性形态和行为。其设计理念融合了水生和陆生运动的专门形态特征，采用自适应的形态发生机制。通过刺激响应的软材料和传统机器人组件的结合，ART机器人能够在水下游泳、水面上游泳、各种基质上运动以及实现陆地和水之间的过渡。

为了验证这一设计理念的有效性，研究人员对ART机器人进行了全面的测试。在水中，ART机器人通过调整肢体的硬度和形状，实现了高效的游泳。在陆地环境中，ART机器人则采用了一种类似于静态稳定的爬行步态，实现了稳定而有效的移动。在过渡基质上，ART机器人采用了类似于海滩海龟的爬行步态，以应对复杂地形带来的挑战。这些步态的实现得益于ART机器人的可变刚度复合材料和精妙的关节设计。

该研究成果为移动机器人在多变环境中的运动提供了新的思路和方法。随着技术的不断发展，移动机器人的应用领域正在不断扩展，从生态监测、仓库管理到家庭服务等领域都能看到它们的身影。如何在多个环境中实现高效运动一直是机器人技术面临的挑战。Kramer-Bottiglio教授团队的研究成果为解决这一挑战提供了新的途径，有望推动移动机器人的进一步发展。

这项研究展示了自然进化如何为工程技术提供灵感，并揭示了适应性形态发生机制在增强机器人适应性方面的巨大潜力。随着研究的深入和技术的不断进步，我们期待看到更多类似的创新成果在机器人领域涌现。经过深入研究，我们发现ART机器人在两种截然不同的地形过渡地形中的惊人表现。这种机器人在穿越这些地形时，其临界摩擦值（COT）相较于陆地爬行高出约140%，展现出惊人的适应性和灵活性。为了深入理解这一现象，研究者们进行了摩擦试验，揭示了机器人外壳的COT与静态摩擦系数（μ）之间的正相关关系，而肢体材料的COT与μ之间则呈现负相关趋势（如图四）。这一发现为我们揭示了机器人自适应形态的关键力学因素，是ART的甲壳在基板滑动过程中表现出的独特性质。

进一步地，通过复杂的实地模拟，我们看到了ART如何在不同的地形中灵活地运动，如陆地到水地的过渡区域（如图五）。过渡地点涵盖了从坚硬的鹅卵石土壤到湿润沙质区域，再到布满岩石和植物的浅滩的复杂环境。ART机器人利用腿部模式和匍匐前进的方式成功穿越了坚硬的土壤部分。随着它接近水面，基质变得更加饱和，机器人开始爬行以确保稳定性。当机器人进入浅水区时，它采用划水的方式游泳，同时保持四肢抬离水面以防损坏。在这个过程中，机器人对周围环境的破坏极小，表现出高度的适应性和生态友好性。更令人瞩目的是，即便在非结构化环境中过渡地形上爬行与行走的能力的极限测试中，ART机器人的性能也令人赞叹。它不仅表现出超越单模态陆地或水生机器人的能力，还在某些情况下超越了许多前沿的机器人技术（如图五）。这说明我们可以设计能够同时适应多种环境的机器人。

综上所诉，这一研究强调了机器人的自适应形态在适应多变地形环境中的重要性。在未来机器人技术的发展中，我们有望看到更多能够适应多种环境的机器人设计出现。这些机器人将不仅仅局限于一种环境，而是能够适应不同的地形和环境条件，从而提高工作效率和适应性。这一研究为我们打开了新的视野，让我们看到了未来机器人技术的无限可能性和潜力。