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微型仿生机器人靠弹簧式弹射实现蛙跳 还能游泳、爬台阶
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微型仿生机器人靠弹簧式弹射实现蛙跳与游泳
美国加州大学洛杉矶分校与密歇根大学研究人员开发出一种小型仿生机器人。它能像青蛙一样跳跃，在草地、沙地等复杂表面移动，跨越小型台阶，安装鳍片后还能在水中游泳。相关成果发表于《科学进展》期刊，展示了一种适用于微型机器人的新型运动机制。与传统依靠电机持续驱动腿部不同，该设备通过扭转弹性杆储存能量，再突然变形产生瞬间推力。
对小型机器人而言，移动并不简单。草叶、松软沙土、布料褶皱及地面小障碍物都可能构成严重阻碍，当障碍物高度接近机器人自身尺寸时，轮子或普通机械腿往往难以通过。跳跃是解决办法，但要求机器人在极短时间内释放足够能量，而小型电机擅长持续、平稳动力，却很难直接产生强烈瞬时输出。
工程师此前尝试用弹簧先缓慢储存能量，再快速释放实现弹射，但如何让三维结构中的弹性材料稳定、可重复地突然变形并迅速恢复，仍是挑战。此次团队采用类似螺旋弹簧的弹性杆结构，先用计算机模型分析形变规律，再用机械臂对真实材料进行弯曲和扭转实验。机器人使用的弹性杆由镍钛合金制成，被弯曲成螺旋状，一端固定，另一端连接小型伺服电机。
电机转动时，弹性杆同时弯曲和扭转，逐渐储存弹性势能。随着形变增加，杆件达到不稳定临界状态，随后突然翻转到另一种形态，将机器人向上、向前弹射。完成跳跃后，电机反向转动，使弹性杆恢复初始状态；部分复位可在腾空期间完成，因此落地后能较快准备下一次弹跳。研究人员还需在跳跃力度和复位速度之间取得平衡，最终选择了一种推力较强且复位较快的设计。
团队制造了长约11厘米、重98.2克的原型机，后部安装两条能突然变形的弹性肢体。对照机器人采用刚性腿部结构，两者电机功率相同，区别在于动力利用方式。测试覆盖木板、布料、亚克力板、皮革、草地和沙地六种表面，新型弹跳机器人在所有表面上的移动速度都超过刚性腿部版本。在木板上，新型机器人达到每秒3.21个自身身长；综合六种表面，其平均速度为每秒2.46个身长，而刚性腿部机器人仅为每秒0.79个身长，约为后者的3.1倍。
除平面跳跃外，这款机器人还展示了跨越小型台阶和连续完成后空翻的能力。安装薄而柔软的鳍片后，它能在水中游动，速度约为每秒0.5个身长，并能改变方向，在风扰动下绕开障碍物。在陆地上，研究人员通过控制两条弹性肢体以不同频率运动，使机器人改变方向。团队还遥控它穿过布满石块的沙箱，并利用光传感器演示朝光源方向自主转向。
研究人员认为，这种机制可能适用于灾害现场搜救、设备检查等复杂地形任务。如果同一套结构既能在陆地弹跳，又能在水中推动鳍片，机器人在不同环境间切换时可能不必安装两套独立推进系统。该思路也可能用于需要快速动作的机器人夹爪，并有望用于制造尺寸只有几毫米的机器人。不过，目前它仍属科研原型机，尚未证明能胜过其他弹簧或弹性结构跳跃机器人；实际应用还需提升续航、环境感知、稳定性和地形适应能力，并验证长期反复形变后的可靠性。
