現今的四足機器人在運動能力方面已經取得顯著進步，但與自然界的動物相比，還存在一定的差距。
動物們能夠高效地利用其軀幹來增強運動能力，比如貓科動物能通過扭轉身體順利通過曲折地形，以及通過軀幹儲存和釋放能量，實現快速移動和靈活轉變方向。
近日，在一項研究德國慕尼黑工業大學邴振山博士和所在團隊首次揭示了柔性脊柱在提升足式機器人運動能力方面的重要性。
圖 | 邴振山（來源：邴振山）
他們設計並開發了一款帶有柔性脊柱的老鼠型機器人，並開發了一系列基於脊柱的機器人運動步態和控制算法。通過實驗，他們驗證了脊柱在提升機器人運動能力，包括穩定性、速度和轉彎能力方面的重要作用。
本次研究得到了三位審稿人的高度評價與認可。其中一位審稿人對他們的工作表示極大的讚賞，認為這項成果在仿生四足機器人研究領域具有巨大潛力，論文也突顯了本次工作在未來足式機器人發展方向上的重要影響，以及柔性脊柱在提升機器人性能方面的關鍵作用。
第二位審稿人提供了具體的修改建議，例如增加與優化後的基於模型的控制器和剛性脊柱版本的機器人進行比較的內容。
第三位審稿人則對他們設計的柔性脊柱結構和驅動方式表示讚賞，特別是通過 3D 列印技術製造的複雜軀幹結構，以及通過精巧設計實現的機器人脊柱的柔性和強度。
此外，審稿人還肯定了他們採用繩驅動方式對機器人結構進行的合理優化。
老鼠機器人的潛在應用領域主要集中在複雜狹小地形的災後救援、探測檢修等任務上。這與生物學家利用訓練過的非洲大鼠進行類似任務的現實情況相呼應。
例如，有的生物學家已經通過在大鼠身上安裝攝像頭模組，並通過訓練來控制其運動，從而使它們能夠執行探測和偵察等特殊任務。
老鼠機器人與生物大鼠的主要區別在於它們無需經過訓練即可執行任務。這些機器人可以自主操作或在操作人員的操控下完成相關任務。
這意味著在執行災後救援、排雷等任務時，老鼠機器人能夠提供更高的靈活性和可控性，同時減少對實際動物的依賴和潛在風險。
「在這項研究過程中，最引人入勝的部分無疑是實驗結果證實了理論假設和控制模型。當然，這個過程同樣伴隨著諸多困難和挑戰。」研究人員表示。
由於機器人的高度定製化，測試過程中經常出現各種硬體故障。課題組不得不頻繁加班，不斷在「測試-故障-維修」的循環中努力。
然而，通過不懈的嘗試和反覆實驗，他們最終通過詳細的實驗和數據驗證了柔性脊柱在提升足式機器人運動能力方面的重要作用。
（來源：Science Robotics）
最終，相關論文以《柔性脊柱的側屈改善仿生小鼠機器人的運動性能》（Lateral flexion of a compliant spine improves motor performance in a bioinspired mouse robot）為題發在 Science Robotics[1]。
邴振山是第一作者兼通訊作者，中山大學 Kai Huang 博士和慕尼黑工業大學阿洛伊斯·諾爾（Alois Knoll）擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Robotics）
未來，他們將繼續深入研究柔性脊柱在足式機器人運動中的作用。在目前的工作中，他們主要關注了脊柱橫向擺動的效果。
接下來，他們打算探索柔性脊柱在縱向平面內擺動對機器人運動能力的影響。
同時，這個新的研究方向將有助於他們更全面地理解柔性脊柱的運動學和動力學特性，以及它如何影響機器人的整體運動效率和靈活性。
通過對脊柱縱向擺動的研究，該團隊期望能夠進一步提升機器人在複雜地形中的適應性和敏捷性，這對於提升其在災後救援、偵察探測等應用場景中的實用性將是至關重要的。
對於未來發展邴振山表示：「下一步我計劃回國工作，在國內高校中尋求教職位置。希望能夠在國內繼續老鼠機器人的研究，推動國家機器人技術進步，並培養機器人相關人才。」
參考資料：
1.Bing, Z., Rohregger, A., Walter, F., Huang, Y., Lucas, P., Morin, F. O., ... & Knoll, A. (2023). Lateral flexion of a compliant spine improves motor performance in a bioinspired mouse robot.Science Robotics, 8(85), eadg7165.