還記得這個脖子以下全是腿的機(jī)器人嗎？它可是機(jī)器人界的"輕功高手"！最初從非洲嬰猴身上汲取靈感，能飛檐走壁、指哪跳哪。

如今這個單腿機(jī)器人又拜松鼠為師，掌握了"松鼠式"跳躍和窄桿精準(zhǔn)著陸的高難度雜技！

近日，來自UC伯克利、伊利諾伊、MIT的研究人員聯(lián)手在《Science Robotics》發(fā)表的黑科技研究中，單腿機(jī)器人Salto-1P成功實現(xiàn)了松鼠級跑酷。這不僅是機(jī)器人領(lǐng)域的一項重要突破，更揭開了自然界運動奧秘的神秘面紗，為救災(zāi)機(jī)器人、深空探測器等特種裝備研發(fā)開辟了新路徑。

▍松鼠的跑酷秘訣：不只是抓得牢

你一定見過松鼠在樹枝間飛躍的樣子，它們能夠以每秒5米的彈跳速度跨越數(shù)倍體長的間隙，在直徑不足2厘米的枝條上精準(zhǔn)著陸，甚至能在失足瞬間通過“空中雜技”調(diào)整姿態(tài)逃生。這是怎么做到的？

研究人員發(fā)現(xiàn)了一個出人意料的秘密：松鼠主要靠的不是抓握力，而是巧妙控制身體與樹枝之間的距離！

傳統(tǒng)的機(jī)器人平衡控制主要依靠兩種方法：調(diào)整足部位置和利用足部力矩。但在細(xì)樹枝上，這兩種方法都不太管用：樹枝太細(xì)，產(chǎn)生不了大力矩；空間太小，沒法隨意調(diào)整腳的位置。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵所在——"徑向力"！簡單說，就是沿著從足部到身體重心方向的推拉力。這種力量有兩大優(yōu)勢：不受支撐面大小限制，而且跳躍動物本來就需要強(qiáng)大的腿部力量，這樣就能"一力多用"。

實驗結(jié)果驚人：結(jié)合徑向力控制和傳統(tǒng)力矩控制，可平衡著陸的條件范圍擴(kuò)大了230%至470%！這意味著，即使著陸姿勢和速度不那么理想，也能成功平衡，大大提高了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。

研究團(tuán)隊搭建了松鼠版"極限跑酷場"，配備高速攝像機(jī)、力傳感器和3D追蹤系統(tǒng)，全方位記錄松鼠的跳躍表演。他們發(fā)現(xiàn)，松鼠跳躍還有四大秘訣：

• 精準(zhǔn)測距：先評估目標(biāo)枝條的距離和穩(wěn)定性，目標(biāo)遠(yuǎn)時，它會降低腿部角度增強(qiáng)彈跳。枝條不穩(wěn)時，降速跳躍并頻繁調(diào)姿。
• 力量調(diào)控：遠(yuǎn)枝加大起跳力，細(xì)枝減小跳躍幅度。枝條細(xì)時，前腿先著陸最大化穩(wěn)定性。
• 空中微操：不是直線飛行，而是實時扭動身體調(diào)整角度。前腿吸收86%沖擊力，通過肩部巧妙傳力；落地姿勢不對？瞬間通過腳掌抓地和身體扭轉(zhuǎn)完成自救。
• 精準(zhǔn)著陸：前腿吸震、腳掌調(diào)姿，穩(wěn)如泰山。高速著陸增強(qiáng)制動，低速著陸減少制動防翻倒。

▍Salto-1P的進(jìn)化：單腿機(jī)器人的"松鼠三件套"

看到這里，你可能會想：這種平衡技巧真的實用嗎？研究團(tuán)隊用實際行動給出了答案。

他們選擇了單腿機(jī)器人Salto-1P作為實驗平臺。為了讓Salto機(jī)器人更好地模仿松鼠的卓越運動能力，研究團(tuán)隊實施了三項關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)：

首先，研究人員為Salto裝配了電動飛輪系統(tǒng)（反作用輪）。這個裝置的工作原理類似于人類通過擺動手臂來維持平衡的方式，能夠在機(jī)器人空中飛行時旋轉(zhuǎn)，幫助Salto實時調(diào)整身體姿勢，從而更加精確地控制它的著陸角度。

其次，科學(xué)家們開發(fā)了一套創(chuàng)新的腿部剎車機(jī)制。這一設(shè)計靈感來自松鼠用前腿緩沖落地沖擊的自然策略。當(dāng)Salto接觸地面的瞬間，該系統(tǒng)會立即激活，有效降低沖擊力，同時提升機(jī)器人在窄小平臺上站穩(wěn)的能力。

最后，考慮到Salto缺乏松鼠那樣用腳掌抓握樹枝的天然優(yōu)勢，研究團(tuán)隊專門設(shè)計了特殊的低摩擦抓手裝置，也能夠測試徑向力平衡控制的效果。這一巧妙設(shè)計確保了Salto在落地過程中不會因為產(chǎn)生額外的扭矩而失去平衡。

同時，這個抓手不靠電力驅(qū)動，而是利用巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能在接觸樹枝時自動形成一個"籠子"將樹枝鎖住。

在30次實驗中，Salto-1P成功抓住樹枝25次！更令人驚訝的是，有兩次它還實現(xiàn)了完美的直立平衡著陸，就像松鼠一樣站在樹枝上！

▍從松鼠到機(jī)器人：自然啟發(fā)的未來

這項研究不僅是技術(shù)上的突破，更展示了向自然學(xué)習(xí)的強(qiáng)大力量。通過對比松鼠和機(jī)器人的表現(xiàn)，研究團(tuán)隊總結(jié)出四個平衡著陸的關(guān)鍵因素：

強(qiáng)大精準(zhǔn)的跳躍能力：必須能夠跨越大間隔并精確命中小目標(biāo)。

更水平的跳躍軌跡：研究發(fā)現(xiàn)，水平角度的著陸比垂直落下更容易平衡，這與大多數(shù)人的直覺相反！

控制重心與支撐點的距離：松鼠能將身體纏繞在樹枝周圍，使重心更靠近支撐點；而Salto則受到10厘米最小距離的限制。

徑向力與力矩的組合控制：兩種控制方式結(jié)合使用，效果遠(yuǎn)超單獨使用任何一種。

研究還揭示了一個有趣的跳躍-著陸權(quán)衡關(guān)系：為了跳得更遠(yuǎn)，機(jī)器人通常會使用串聯(lián)彈性元件（類似彈簧）來儲存和釋放能量，但這會降低控制響應(yīng)速度，影響著陸平衡。這就像運動員面臨的困境：全力沖刺會影響最后的精準(zhǔn)控制。

想象未來的應(yīng)用場景：搜救機(jī)器人能在地震廢墟中敏捷跳躍；環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人可以像松鼠一樣在森林中穿梭；太空探索機(jī)器人一次跳躍就可以跨越很遠(yuǎn)距離；家用機(jī)器人也能輕松應(yīng)對臺階、家具等障礙物……

這項研究還有一個更深層的啟示：我們對自然界中看似簡單的動作，可能理解得并不全面。松鼠的跳躍看起來很普通，但背后蘊含的控制策略卻出人意料地精妙。大自然是最偉大的發(fā)明家，而科學(xué)則是破譯這些發(fā)明的鑰匙。

下次當(dāng)你看到松鼠在樹枝間輕盈跳躍時，不妨多看幾眼——它們在表演的，可是最前沿的動力學(xué)和控制理論~

最后，你最想看到這種松鼠啟發(fā)的機(jī)器人應(yīng)用在什么場景？歡迎在評論區(qū)分享你的奇思妙想！

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adq1949