（來源：MIT News）

昆蟲級機器人憑借小巧身形，能深入大型機器人無法涉足的區域，比如在倒塌建筑物內部，執行地震后搜尋幸存者的重要任務。

不過，他們面臨兩大運動挑戰：能量受限和遠超其體型的大型障礙物。陸地運動效率高，但大多局限于平坦表面；相比之下，飛行雖然靈活多變，但需要強大的動力才能保持高空飛行。

為充分發揮兩種運動方式的優勢，麻省理工學院的研究人員開發了一款跳躍機器人。它既能輕松躍過高大障礙物，跨越傾斜或不平坦的表面，能耗還比空中機器人低很多。相關成果于近日發表在Science Advances期刊。

這款跳躍機器人的身高僅約 5 厘米重量不到 1 克，比回形針還輕。其腿上安裝有彈簧，當單腿跳躍時，會將離地高度的勢能轉化為動能。撞擊地面時，動能又會轉化回勢能，如此循環往復。另外還有四個撲翼模塊可以提供升力并控制方向。

圖 | 跳躍設計

該機器人能以每秒約 30 厘米的橫向速度，跳到約 20 厘米的空中，相當于其身高的4倍。而且，它能毫不費力地跨越冰面、潮濕路面和不平坦的土壤，甚至能跳到懸停的無人機上。經測試，這款跳躍機器人的能耗比其他飛行機器人低約 60%

得益于輕盈的重量、出色的耐用性以及跳躍過程中的高效能源利用，這款機器人的有效載荷能力是類似尺寸空中機器人的 10 倍，為眾多新應用開辟了廣闊前景。

麻省理工學院研究生、跳躍機器人相關論文的共同第一作者 Yi-Hsuan（Nemo）Hsiao 表示：“和飛行機器人相比，跳躍機器人更便于搭載電池、電路和傳感器。我們期待有朝一日，它能走出實驗室，在現實場景中大展身手?！?/p>

參與這項研究的還包括：共同第一作者、香港大學研究助理教授 Songnan Bai；即將入學麻省理工學院的研究生 Zhongtao Guan，他以訪問本科生身份參與了此項研究；麻省理工學院的 Suhan Kim 和 Zhijian Ren；資深作者、香港城市大學副教授 Pakpong Chirarattananon；以及麻省理工學院電氣工程與計算機科學系副教授、電子研究實驗室軟與微機器人實驗室負責人 Kevin Chen。

最大限度地提高效率

跳躍在昆蟲世界中極為常見，跳蚤跳到新宿主身上、蚱蜢在草地上蹦跶，都是典型例子。但在昆蟲大小的機器人領域，跳躍并不常見，它們大多選擇飛行或爬行。實際上，跳躍在能源效率方面具有顯著優勢。

機器人跳躍時，會將離地高度產生的勢能轉化為下落時的動能。動能在撞擊地面時又轉化回勢能，上升時再次轉化為動能，如此循環。

為提升這一過程的效率，麻省理工學院的這款機器人安裝了一條由壓縮彈簧制成的彈性腿，其結構類似按動筆上的彈簧。機器人落地時，彈簧能將向下的速度轉變為向上的速度。

Hsiao 解釋道：“要是彈簧是理想狀態，機器人就能毫無能量損耗地持續跳躍。但實際的彈簧并非完美，所以我們借助拍打模塊，補償其與地面接觸時損失的少量能量。”

機器人彈回空中時，撲翼會提供升力，同時確保其保持直立姿態，并為下一次跳躍調整方向。它的四個撲翼機構由柔軟的致動器（即人造肌肉）驅動，這些致動器十分耐用，即便反復與地面撞擊也不易損壞?！霸谝幌盗袑嶒炦^程中，我們始終使用同一個機器人，從未中途停下來維修過?！?/p>

機器人性能的關鍵在于快速控制機制，它決定了機器人下一次跳躍的定位。通過外部運動跟蹤系統進行傳感，觀察者算法利用傳感器測量數據，計算出所需的控制信息。

機器人跳躍時，會沿彈道軌跡在空中劃出弧線。在軌跡頂點，它會估算著陸位置。然后，依據目標著陸點，控制器計算出下一次跳躍所需的起飛速度。飛行過程中，機器人通過拍打翅膀調整方向，使其以合適的角度和軸著地，從而實現正確的方向和速度移動。

耐用性和靈活性

研究人員在草地、冰面、濕玻璃甚至不平坦的地面等不同表面上測試了該機器人。機器人沒有出現任何問題。即使在移動的表面上，它也能穩定地跳躍，最高可達 20 厘米。

Hsiao 說：“機器人不太受著陸表面角度的影響。只要撞擊地面時不打滑，就能正常運作。”

圖 |不同地形上的跳躍演示

然而，在草地上跳躍比在玻璃表面上跳躍需要更多的能量，因為為了抵消草地的阻尼效應，翅膀拍打需要消耗更多的能量。

得益于小巧的體積和輕盈的重量，這款機器人的轉動慣量更小，相比大型機器人，它更加靈活，抗碰撞能力也更強。

這款機器人還能完成一些特技動作，例如翻筋斗或跳上飛行中的無人機。此外，研究團隊展示的跳躍機器人可承載兩倍重量，而其最大有效載荷可能遠不止于此。增加重量并不會降低機器人的效率，實際上，彈簧的效率才是限制其承載能力的關鍵因素。

展望未來，研究人員計劃利用機器人的重物承載能力，為其安裝電池、傳感器和其他電路，期望它能實現自主運作，走出實驗室，應用于現實場景。

未參與此項研究的伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校助理教授 Justin Yim 評價稱：“多模態機器人（融合多種運動策略的機器人）通常很難研制，在如此微小的尺寸下實現更是難能可貴。這款小型多模態機器人功能多樣，能在崎嶇或移動的地形上翻轉、跳躍，甚至跳到其他機器人上，令人驚嘆。該研究展示的連續跳躍能力，可助力機器人在障礙物繁多的環境中實現敏捷、高效的移動?！?/p>

https://news.mit.edu/2025/hopping-gives-tiny-robot-leg-up-0409