现在，工程师们已经研发出能够爬行、游泳以及像蛇一样蜿蜒前行的机器人，但是目前尚无任何一种机器人能够与松鼠媲美。松鼠能够在密密麻麻的树枝间跑酷、跨越危险的间隙，并在极其脆弱的树枝上精准着陆。据外媒报道，美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的生物学家和工程师们正在尝试改变此种状况，并且基于对松鼠跳跃以及着陆的生物力学研究，设计出了能够精准着陆在狭窄支撑物上的跳跃机器人。

受松鼠启发研发机器人（图片来源：加州大学伯克利分校）

该项研究成果发表于《科学机器人》（Science Robotics）杂志，标志着在设计出更具灵活性的机器人领域取得了重要进展。此种机器人能够在建筑工地的桁架和梁柱之间跳跃，或者在错综复杂的森林或树冠中监测环境。

该研究论文的作者之一兼加州大学伯克利分校整合生物学教授Robert Full表示：“我们现有的机器人性能尚可，但是如何进一步提升其能力呢？如何让机器人在充满管道、横梁和电线的复杂灾难环境中穿行呢？松鼠可以做到，而机器人无法做到。松鼠是自然界中最优秀的运动员，具备优异的机动性和逃脱能力。我们的目标是尝试定义让此类动物能够拥有各种行为选择、以完成各种壮举的控制策略，并利用此类信息来打造更敏捷的机器人。”

该论文的共同作者兼加州大学伯克利分校前研究生Justin Yim将Full及其生物学学生在松鼠身上发现的现象应用到Salto机器人身上。该款机器人是单腿机器人，由2016年在加州大学伯克利分校研发，能够跳跃、跑酷以及平稳着陆，但是只能在平地上完成。而此次的挑战在于，让Salto机器人在平稳着陆的同时击中一个特定的点——一根细杆。

Yim如今是美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（the University of Illinois, Urbana Champaign，UIUC）机械科学与工程系的助理教授。他解释道：“如果你想尝试跳到某个点，以跳房子游戏为例，当你尝试落在特定位置时，希望的是让双脚平稳落地，而不是再迈一步。如果感觉到将向前摔倒，你就会挥舞双臂，也可能会站直，以防跌倒。如果感觉要向后倾倒，你可能就会坐下来，因为将无法站稳，可能还会向后挥舞手臂，但可能同时会蹲下。此类动作正是我们为机器人编程的动作，如果机器人要向下摆动，就需要下蹲；如果向上摆动，就需要伸展身躯，增加高度，保持稳定。”

利用此类策略，Yim正在开展一项由美国航空航天局（NASA）资助的项目，旨在设计一款小型单腿机器人，以用于探索土星的卫星Enceladus。由于Enceladus的重力仅为地球的八十分之一，单次跳跃就能让机器人跃过一个足球场的长度。

将生物学与机器人学相结合

Salto是Saltatorial Agile Locomotion on Terrain Obstacles（在地形障碍物上的跳跃式敏捷移动）的缩写，诞生于十年前的Ronald Fearing实验室。现在，Ronald Fearing是加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系（EECS）研究生院的教授。该机器人跳跃、跑酷和着陆能力是Full多足实验室生物学学生与Fearing的仿生微系统实验室的工程学研究团队之间长期跨学科协作的成果。

Yim之前的研究试图利用Salto在室外平坦地形上直立着陆的能力，以让其能够击中树枝等特定目标。此前，Salto已经配备了一个电动飞轮（反应轮），用于辅助器保持平衡，类似与人类通过摆动双臂来恢复平衡。不过，此种设备不足以让Salto在不稳定的支撑点上直接平稳着陆。因此，Yim决定反转启动Salto的电机，并在着陆时利用电机让Salto能够制动。

生物学与机器人团队合作开展研究，推测松鼠在着陆时也会采用类似的方式调整腿部，以验证该假设，并证实此种方式可帮助Salto平稳着陆。Full的团队在一根树枝上安装了传感器，以测量松鼠落地时垂直于树枝的力以及松鼠用脚对树枝施加的扭矩或旋转力。

该研究团队基于高速视频和传感器测量结果发现，当松鼠完成跳跃后着陆时，通常会在树枝上执行类似倒立的动作，以通过肩膀关节传导着陆冲击力，从而最大限度地降低对关节的压力。随后，松鼠利用脚掌上的肉垫抓握树枝，并通过扭转身体来抵消可能导致其失去平衡或坠落树枝的多余扭矩。

Full表示：“几乎所有的能量，86%的动能，都被前腿吸收。实际上，松鼠以前脚掌着陆在树枝上，随后其他身体部位跟上。如果松鼠从下方行动，腿部就会产生一个向上的扭矩；如果从上方越过，可能由于过远着陆，腿部会生成制动扭矩。”

不过，研究人员进一步发现，对于保持平衡而言，或许更重要的是，松鼠在着陆瞬间会通过调整施加在树枝上的制动力，以抵消落点过远或过近的影响。

Full表示：“如果要过近着陆，可以通过减少腿部冲击力来实现，此时腿部会略微弯曲，然后惯性会更小，从而可以帮助拉回平衡状态。然而，如果落点过远，就需要反其道而行，让腿部生成更多的冲击力，实现更大的惯性，从而减缓速度，确保平稳着陆。”

Yim与加州大学伯克利分校的本科生Eric Wang重新设计了Salto，使其腿部力量可调，补充反应轮产生的扭矩。经过改进，Salto能够跳到树枝上并保持平衡多次，尽管其腿部没有抓握能力。

Yim表示：“我们决定采取最具挑战性的路线，让该机器人无法通过脚部对树枝施加任何扭矩。我们专门设计了一种低摩擦力的被动夹爪，以最大限度地降低此类扭矩。在后续研究中，我认为探索其他性能更强大的夹爪将会十分有趣，此类夹爪可以提升机器人对树枝施加扭矩的控制能力，还能够增强其着陆能力，可能不仅是着陆在树枝上，而且还着陆到复杂平地上。”

与此同时，Full正在深入研究松鼠在着陆时腿部施加的扭矩的重要性。与猴子不同，松鼠没有能用于抓握的拇指，只能用掌心抓握树枝，但这也可能是一种优势。

单腿机器人在静止站立时可能存在倾倒的风险，因此可能听起来并不实用。但是Yim表示，若要实现极高的跳跃高度，单腿设计为最佳方案。他解释道：“单腿设计是跳跃应用的最佳选择，通过将大多力量集中在一条腿，可以避免因多个不同设备导致力量分散。此外，随着跳跃高度增加，单腿的缺点也会减少。当跳跃高度远超腿部长度时，只会有一种步态，即双腿几乎同时着陆与离地。在此种情况，多腿与单腿的功能差不多，还不如就用一条腿。”