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UCSB和迪士尼研究人员开发跳跃机器人 最高能跳33米

2022-04-29 13:59:17 cnBeta.COM
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这种生物启发方法的少数例外情况包括机器人利用压缩气体甚至炸药等东西,以动物无法做到的方式跳跃。这些机器人的性能非常令人印象深刻,至少部分原因是它们的跳跃技术并没有完全融入生物模型中,而这些生物模型往往会受到非跳跃事物的影响,比如多功能性。

对于来自加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)和迪士尼研究院的一组机器人专家来说,这导致了一个简单的问题。如果你要建造一个只专注于尽可能高的跳跃机器人,它能跳多高?在周三发表在《自然》杂志上的一篇论文中,他们用一个能跳33米高的机器人回答了这个问题。

一些视频展示了该跳跃机器人(研究人员创造性地将其称为“我们的跳跃者”)的自我发射、着陆、自我纠正,然后再次发射的过程。

该跳跃机器人有30厘米高,重30克,对于这样的机器人来说是比较重的。它几乎完全由充当弹簧的碳纤维弓和以张力储存能量的橡皮筋组成。机器人的中心部分包括一个电机,一些电池,以及一个连接到连接机器人顶部和底部的绳子上的闩锁机制。为了准备跳跃,机器人开始旋转它的马达,在2分钟的时间里,它将绳子缠绕起来,将机器人压扁,并逐渐储存起一种能量。一旦绳子几乎完全缠绕起来,电机再一拉就会触发锁扣机制,从而放开绳子,在大约9毫秒内释放所有的能量,在这段时间内,机器人从零加速到28米/秒。总的来说,该机器人的比能量超过每公斤1000焦耳,这甚至比最好的仿生跳跃机器人还要好一个数量级,并且轻松地超越了任何其他跳跃机器人的五倍之多。

这个机器人之所以能跳得那么高,是因为它依赖于一个聪明的工程,你在生物学中的几乎任何地方都找不到:一个旋转马达。有了旋转马达和一些连接在弹簧上的齿轮,可以在相对较长的时间内使用相对较低的功率,在马达旋转时储存大量的能量。动物没有旋转马达,所以虽然它们可以使用“弹簧”(肌腱),但这些“弹簧”可以受到从肌肉获得的单一动力冲程的限制。这里的结果是,最好的生物跳跃者,如婴猴,只是拥有相对于其身体质量最大的跳跃肌肉。这很好,但这对动物能跳多高是一个相当大的限制。

虽然许多其他机器人(至少可以追溯到十年前)将旋转电机和弹簧结合起来进行跳跃,但导致这篇《自然》论文的关键见解是了解到设计一个最佳跳跃机器人的最佳方式是完全颠覆生物学。与其通过更大的电机获得更大的跳跃,不如尽量减少电机,同时使用尽可能多的技巧,全力以赴地使用弹簧。研究人员能够对生物跳远者的肌肉和肌腱的比例进行建模,并发现最佳性能来自于质量约为肌腱30倍的肌肉。但对于一个工程跳远者来说,这篇论文显示,你实际上想要颠倒这个质量比,这个跳远机器人的弹簧是电机质量的1.2倍。"我们太拘泥于动物模型了,"共同作者、迪士尼研究院的Morgan Pope告诉IEEE Spectrum。"所以我们一直在跳几米高,而我们应该跳到几十米高。"

来自UCSB的第一作者 Elliot Hawkes表示:“第一次看到我们的机器人跳跃是很神奇的。我们开始时的设计更像一个弹弓,然后是弓形设计,然后是橡皮筋和弓形的混合弹簧设计。我们花了无数的时间来解决各种具有挑战性的机械问题,从齿轮箱的零件脱落到铰链断裂到碳纤维弹簧爆炸。每一次新的迭代都同样令人激动--最近一次跳跃超过 30 米,当你亲眼看到它起飞时,它会让你大吃一惊。这么小的设备里有这么多能量!”

让机器人跳得更高,可能会涉及到使用一个更加灵活的弹簧,以最大限度地提高机器人可以存储的能量,而不增加它的质量。“我们已经用我们的混合张力-压缩弹簧把能量储存推得很远,” Hawkes说。“但我相信,可能有一些弹簧设计可以将其推得更远。我们现在处于每公斤2000焦耳左右。”

“我们做了一个令人难以置信的专门设备,它能很好地做一件事,"Hawkes说。“它偶尔会跳得很高。但仿生跳跃机器人在其他许多方面做得更好,而且更坚固。”

考虑到这一点,即使是当前版本的这种跳跃机器人也确实可以自我纠正,重复跳跃,并携带一个小的有效载荷,如一台摄像机。研究人员建议,这种机动性和效率的结合可能使它成为探索太空的理想选择,在那里,跳跃可以让人们走得更远。例如,在月球上,由于较低的重力和没有大气阻力,这种机器人每次跳跃能够覆盖半公里。“我们目前最感兴趣的应用是太空探索,” Hawkes说。“月球是一个真正理想的跳跃地点,这为探索提供了新的可能性,因为它可以克服挑战性的地形。例如,机器人可以跳到无法进入的悬崖边上,或者跃入陨石坑的底部,采集样品,然后返回到轮式漫游车上。” Hawkes说,他和他的团队目前正在与美国宇航局(NASA)合作开发这个系统,目标是在未来五年内将其发射到月球。

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关键词: 科学探索 UCSB和迪士尼研究人员开发跳跃机器人 最高能跳

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