机器人昆虫模仿大自然的极端动作

在水上行走的概念可能听起来超自然，但实际上它是一种非常自然的现象。许多小型生物利用水的表面张力来操纵自己。水上跳跃最复杂的演习之一是通过一种称为水str的半水生昆虫实现的，这种昆虫不仅可以沿着水面掠过，而且还可以通过它们的腿产生足够的向上推力，从而将它们从空中传播。

现在，仿效这种自然形式的水基运动，来自韩国首尔国立大学(SNU)，哈佛大学生物启发工程学院和哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的国际科学家团队揭开了一种可以从水面跳下的新型机器人昆虫。通过这样做，他们揭示了对自然力学的新见解，这些自然力学允许水str以相同的功率和高度从刚性地面或流体水中跳跃。这项工作发表在7月31日的“ 科学”杂志上。

“水的表面需要以适当的速度按压足够的时间，达到一定的深度，才能实现跳跃，”该研究的共同高级作者Kyu Jin Cho说，他是机械部的副教授。航空航天工程和首尔国立大学Biorobotics实验室主任。“水str能够完美地完成所有这些事情。”

水上运动员的腿具有略微弯曲的尖端，采用旋转腿部运动来帮助它从水面起飞，共同资深作者Ho-Young Kim，他是SNU机械和航空航天工程系教授，SNU主任微流体力学实验室。Kim，前Wyss研究所访问学者，与该研究的共同第一作者，SNU微流体力学实验室的研究员Eunjin Yang一起工作，收集水str并拍摄他们动作的大量视频，分析使昆虫成为可能的机制。撇去并跳下水面。

该团队花了几次试错试图完全理解水str的机制，使用机器人原型来测试和塑造他们的假设。

“如果你尽可能快地在水上施加尽可能多的力，那么肢体就会突破表面，你将无法到达任何地方，”该研究的共同作者罗伯特伍德博士说。 Wyss Institute核心教员，哈佛保尔森学院查尔斯河工程与应用科学教授，以及哈佛微机器人实验室的创始人。

但是通过研究与他们的机器人昆虫的迭代原型相比较的水str，SNU和哈佛团队发现跳水的最佳方法是在跳跃运动期间尽可能长时间地保持水接触。

该研究的共同第一作者Je-Sung Koh博士说：“利用它的腿向下推水，天然水str会施加最大量的力，使其低于打破水面的阈值。”在本研究的大部分时间里，他正在SNU攻读博士学位，现在是Wyss学院和哈佛保尔森学院的博士后研究员。

模仿这些机制，由团队建造的机器人昆虫可以在水面上施加高达16倍的自身体重而不会突破，并且可以在没有复杂控制的情况下完成。尽管缺乏复杂的认知技能，许多天然生物如水str可以轻松地进行极端的运动方式 - 例如飞行，漂浮，游泳或跳水。

“这是由于它们的天然形态，”Cho说。“这是一种体现或物理智能的形式，我们可以从这种物理智能中学习，建立类似能够执行极端机动而不需要高度复杂的控制或人工智能的机器人。”

机器人昆虫是使用“扭矩反转弹射机制”建造的，其灵感来自跳蚤跳跃的方式，这允许这种极端运动而没有智能控制。它是由Cho，Wood和Koh于2013年在智能机器人和系统国际会议上首次报道的。

对于机器人昆虫跳水，轻型弹射机构使用一股动量加上有限的推力来推动机器人离开水面而不会破坏水的表面。采用由复合材料和致动器构成的自动触发机构来激活弹射器。

为了生产机器人昆虫的身体，使用“弹出式”制造来制造折叠复合结构，其自组装非常类似于在3D书籍中“弹出”的可折叠组件。由哈佛保尔森学院和Wyss研究所的工程师设计，这种巧妙的分层和折叠过程可以快速制造微型机器人和各种机电设备。

“由此产生的机器人昆虫可以达到在坚硬的地面上快速跳跃时可能产生的相同动量和高度 - 但是可以通过在更长的时间内延长跳跃推力并持续延长来实现接触水面，“伍德说。

“生物学家和机器人专家的这种国际合作不仅探讨了大自然，还开发了一种新型的半水生物生物机器人，它可以执行一种新的极端形式的机器人运动，但也为我们提供了关于水中自然力学的新见解。迈进，“威斯研究所创始主任唐纳德英格伯，医学博士，博士说。

该研究的其他共同作者包括Gwang-Pil Jung，博士。SNU Biorobotics实验室的候选人; Sun-Pill Jung，SNU Biorobotics实验室的MS候选人; Jae Hak Son，获得博士学位。在SNU的行为生态学和进化实验室; Sang-Im Lee，博士，SNU先进机器设计研究所研究副教授，SNU行为生态学和进化实验室兼职研究教授; 和Piotr Jablonski，博士，他是SNU行为生态学和进化实验室的教授。