造一个能跃上月球的机器人

2022 / 05 / 16

迄今跳最高的机器人来了!来自加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)和迪士尼研究院的一组机器人专家,搞出了一个能蹦跶33米(相当于99尺)高的机器人。

33米高,是啥概念呢?大概就是11层楼那么高吧。好家伙,窜天猴看了都摇头。

该项研究发表于《自然》杂志上的一篇论文中。

逆天高度,打破生物学限制

其实,会跳跃的机器人早已屡见不鲜。归结于自然界中那些令人难以置信的跳跃动物,将它们的能力与机器人相匹配,听起来很是合理。

但这一次,研究人员们将目光专注于让机器人尽可能跳的更高。

他们创造性的将其称之为“我们的跳跃者”,展示了机器人的一些列操作。比如,自我发射、着陆……

自我纠正,然后再次发射……

其实,这款机器人人在同类型机器人中的重量并不算轻。

它有30厘米高,重30克,几乎完全由充当弹簧的碳纤维弓和以张力储存能量的橡皮筋组成。

机器人的中心部分包括一个电机,一些电池,以及一个连接到连接机器人顶部和底部的绳子上的闩锁机制。

当机器人开始准备跳跃的时候,它就开始旋转它的马达。然后在2分钟的时间里,将绳子缠绕起来,继而将自己压扁。

逐渐储存能量,当绳子完全缠绕完毕,电机再一拉就会触发锁扣机制,从而放开绳子,在大约9毫秒内释放所有的能量。

在这短短的时间内,机器人可以从零加速到28米/秒。这可是世界上短跑之王——猎豹的极限速度了。

总的来说,该机器人的比能量超过每公斤1000焦耳,这甚至比最好的仿生跳跃机器人还要好一个数量级,轻松地超越了任何其他跳跃机器人的五倍之多。

凭啥能跳这么高?

那么问题来了,能跳的机器人“千千万”,凭啥它就能跳的这么高?

答案就在于——旋转马达。研究团队表示:我是大聪明。

这个跟生物学八竿子打不着的旋转马达,补充替代了自然界动物的“肌腱”功能。

有了旋转马达和弹簧上的齿轮配合,就可以在相对较长的时间内使用相对较低的功率,在马达旋转时储存大量的能量。

虽然许多其他机器人也是将旋转电机和弹簧结合起来进行跳跃,但这次科研人员们另辟蹊径,与其通过更大的电机获得更大的跳跃,不如尽量减少电机,同时使用尽可能多的技巧,全力以赴地使用弹簧。

通过对生物跳远者的肌肉和肌腱的比例建模,研究人员们发现最佳性能来自于质量约为肌腱30倍的肌肉。

但对于一个工程跳远者来说,实际上想要颠倒这个质量比,这个跳远机器人的弹簧是电机质量的1.2倍。"我们太拘泥于动物模型了,"共同作者、迪士尼研究院的Morgan Pope表示,"所以我们一直在跳几米高,而我们应该跳到几十米高。"

来自UCSB的第一作者 Elliot Hawkes表示:“第一次看到我们的机器人跳跃是很神奇的。我们开始时的设计更像一个弹弓,然后是弓形设计,然后是橡皮筋和弓形的混合弹簧设计。我们花了无数的时间来解决各种具有挑战性的机械问题,从齿轮箱的零件脱落到铰链断裂到碳纤维弹簧爆炸。每一次新的迭代都同样令人激动--最近一次跳跃超过 30 米,当你亲眼看到它起飞时,它会让你大吃一惊。这么小的设备里有这么多能量!”

让机器人跳得更高,可能会涉及到使用一个更加灵活的弹簧,以最大限度地提高机器人可以存储的能量,而不增加它的质量。“我们已经用我们的混合张力-压缩弹簧把能量储存推得很远,” Hawkes说。“但我相信,可能有一些弹簧设计可以将其推得更远。我们现在处于每公斤2000焦耳左右。”

“我们做了一个令人难以置信的专门设备,它能很好地做一件事,"Hawkes说。“它偶尔会跳得很高。但仿生跳跃机器人在其他许多方面做得更好,而且更坚固。”

有朝一日能跃上月球

这种机动性和效率的结合可能让研究人员们把目光瞄向了太空,使它成为探索太空的理想选择,在那里,跳跃可以让人们走得更远。

例如,在月球上,由于较低的重力和没有大气阻力,这种机器人每次跳跃能够覆盖半公里。

“我们目前最感兴趣的应用是太空探索,” Hawkes说。“月球是一个真正理想的跳跃地点,这为探索提供了新的可能性,因为它可以克服挑战性的地形。

机器人可以跳到无法进入的悬崖边上,或者跃入陨石坑的底部,采集样品,然后返回到轮式漫游车上。” Hawkes说,他和他的团队目前正在与美国宇航局(NASA)合作开发这个系统,目标是在未来五年内将其发射到月球。

Tags:机器人 月球