Nature封面：耶鲁大学研究团队设计出一种形态自适应的仿生两栖海龟机器人

2022-10-18 07:10

当前，移动机器人无法适应多栖环境下工作，若是在不同环境下对机器人设置不同的推进机制，则存在能量利用率低的问题，针对这一问题，耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio教授课题组从陆生和水生乌龟身上得到的灵感，运用了"适应性形态发生"的设计策略，研发出能同时在陆地和水域实现轻松导航的两栖机器龟（ART），两栖机器龟融合了传统的刚性部件和软性材料，通过在入水前改变四肢结构以适应水下环境。该“形态自适应”是指一种自适应机器人形态和行为的设计策略，通过改变机器人的四肢横截面积和刚度实现四肢形状、结构的变化。

相关成果以“Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis”为题发表在最新一期Nature上，并作为Nature封面。

Nature论文封面图

该研究团队基于对陆生、水生海龟的肢体形状和步态研究，通过“形态自适应”设计一种多栖环境中运动的机器人：通过统一的结构和驱动系统实现的自适应形态和行为。该机器人通过改变四肢形状、刚度和行为来适应不同的环境。当机器人从一个环境移动到另一个环境时，通过可变刚度材料和人工肌肉来改变四肢形状。

两栖机器人

两栖机器人四肢结构

在陆地环境下，两栖机器人（Amphibious Robotic Turtle，ART）以各种四足步态移动；进入水中时，ART可以将腿变形为鳍状肢，使其能够像水生海龟一样通过鳍与水之间的力（鳍划动过程）进行移动。

海龟启发的两栖机器人

机器龟与海龟游泳对比

机器龟与陆龟爬行对比

机器龟与乌龟滑行对比

前肢变形过程：

从鳍状变成腿状模式，50W加热，30kPa充气

前肢变形过程：

停止加热，保持压力直到肢体冷却；然后释放压力，进入腿状模式

前肢变形过程：

再次加热到50W，从腿状变回鳍状模式

两栖机器人（ART）主体由四个子系统组成：底座、外壳、肩关节和可变四肢。底盘装有电子设备，外壳设计成流线型结构，有效存储载荷并且减小阻力，每个肩关节都有三个马达以实现一系列的步态变化，可变四肢包含气动执行器，同时应变限制层粘附在热固性聚合物上，连接到每个肩关节，通过嵌入式加热器加热热固性聚合物，使其软化，并给气动执行器充气，使肢体横截面积和刚度发生变化，实现机器人四肢变化。