機器之心報道

編輯：陳萍、杜偉

陸地行走、海里暢游，這款機器龜在形態和性能上與真龜別無二致！

現存最古老的爬行動物龜，它們既可以在陸上生活，又可以在水中生活。

不同于龜等兩棲動物，主要棲息于一種生態環境的動物往往表現出專門的身體規劃和步態運動學，以提高運動效率，而在其他環境中的性能反而下降。相反，半水生和半陸生動物表現出固有的形態和步態折中，這使得它們在兩種環境中的效率都很高。

研究界中出現了針對特定環境的專業化移動機器人，它們通常僅限于在陸地或水中運行，而不能兼顧兩者。因此，發展兩棲機器人顯得非常重要。

近日，來自耶魯大學的研究人員發明了一種兩棲機器人，其靈感來自于海龜和陸龜，該機器人通過一種被稱為「自適應形態發生，adaptive morphogenesis」的過程完成。他們還為這款機器人取了一個特別貼切的名字，英文叫 ART（Amphibious Robotic Turtle），中文為「兩棲機器龜」。

該研究于 10 月 12 日登上《Nature》封面。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05188-w

說到海龜和陸龜，他們都有著相似的身體，四肢和一個殼，但它們有獨特的肢體形狀和步態，以適應它們特定的環境。正如論文作者之一 Rebecca Kramer-Bottiglio 所說，海龜的鰭狀肢較長，便于游泳，而陸龜的腿較圓，便于行走時負重。

該機器龜結合了兩者的特點，其具有可變形的四肢，能夠根據周圍環境調整四肢形狀、剛度和動作。當將機器龜從一種環境過渡到另一種環境時，其四肢使用可變剛度材料和人造肌肉來改變其形狀。ART 具有靈活的四肢：

ART 的四肢可變形：

當將這款機器人放在陸地上時，它能以各種步態在陸地上行走。 ‍

到達水域后，ART 就將腿變成鰭狀肢，使其能夠以基于升力和阻力的水上步態進行暢游。

ART 從陸地到達水里：‍

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Nature 首席物理科學編輯 Karl Ziemelis 表示：你幾乎可以認為「自適應形態發生」是機器人按需進化的形式。

ART 與其他兩棲機器人的不同之處在于，它能利用相同的部件在水上和陸地環境中進行推進，而其他機器人需要添加多個推進機制，才能適應不同的環境，這樣一來，就會導致能源效率低下。「我們的研究結果表明，自適應形態發生可以提高機器人在多種環境中移動的效率，」通訊作者 Kramer-Bottiglio 表示。

這種兩棲機器龜潛在的應用很多，包括沿海岸線的生態系統監測、海洋養殖。此外該機器龜還將幫助研究人員進行復雜沖浪區和其他環境過渡區的運動物理學研究。

兩棲機器龜怎么形成的？

下圖 a 中，ART 復制了高度適應海龜物種的肢體形狀和步態，并且構成一個能夠在水生和陸生棲息地之間過渡的特殊運動模式平臺。

圖 b 為變形肢體的側視圖，比例尺為 30mm。

圖 c 為機器龜 CAD 模型的等軸視圖和俯視圖，比例尺為 0.16m。其中，θ、φ 和 α 分別表示向前和向后、向上和向下以及迎角運動的軸。

下圖 2 為 ART 的游泳形態。圖 a 為機器龜通過調節浮力進行水面和水下游泳。

圖 b 為受龜啟發的撲動步態的迎角偏移與運動消耗（Cost of Transport, COT）的關系。三個不同區域的突出展示：在左側（紅色）區域，拍動的 COT 高于游動；在中間（黃色）區域，COT 在 10 度的跨度內下降，指出機器龜產生主要推力的過渡；在右側（藍色）區域，COT 接近其最佳值。

圖 c 和 d 分別表示用于游泳和拍動步態的一個步態周期（頂部）、x 步態周期（中間）和 z 步態周期（底部）的重要步驟。

下圖 3 為 ART 的行走形態。圖 a 表示 ART 能夠以直立爬行步態輕松穿越多個陸地基質。

圖 b 頂部表示一個步態周期的重要步驟，底部表示 φ 和 θ 電機的指令編碼器位置。BL 指左后腿，BR 指右后腿，FL 指左前腿，FR 指右前腿。

圖 c 表示 ART 左后肢遠端的 3D 運動捕捉超過 5 個步驟。圖 d 表示運動捕捉 z 軸投影。

下圖 5 為過渡策略和 COT 情境化。其中，圖 a-c 表示 ART 的游泳（a）、行走（b）和過渡（c）形態。圖 d 表示，ART 在與其他動物和機器人的比較中表現出色，優于一些最先進的單峰陸地和水上機器人。并且由于壓載物的并入，水下游泳時機器龜的質量也增加了。