機器人特技：哺乳動物尾巴提供驚喜的設計啟示

在探索如何設計出能利用尾巴在半空中重新定位身體的機器人時，密西根大學和加州大學聖地牙哥分校的研究團隊發現，哺乳動物早已懂得如何以少勝多。他們表示，這種模擬方法將有助於設計出尾巴更輕但更有效的機器人，並揭示動物如何運用物理原理進行機動動作。

密西根大學機器人學助理教授、《皇家學會介面期刊》該研究的通訊作者塔莉雅・摩爾指出：「自然界基本上發展出兩種脊椎動物尾巴。蜥蜴那種厚重且帶有肌肉的尾巴，能夠在一個旋轉平面上重新定位身體，並啟發了許多硬質尾巴的機器人設計。乍看之下，像貓這種哺乳動物輕盈、由肌腱驅動的尾巴，在旋轉身體方面似乎效果較差。但我們注意到，哺乳動物的尾巴能形成更複雜的三維曲線，而且許多哺乳動物同樣能夠透過尾巴引發身體旋轉。」

十多年前，摩爾曾試圖研究跳鼠（一種用兩條腿跳躍的長尾沙漠嚙齒動物）是否利用尾巴達到這一目的。但當時用來描述尾巴運動的方程式忽略了哺乳動物尾巴彎曲和甩動的方式，而且該方程式還表明，跳鼠無法夠快速移動尾巴以旋轉身體。於是她暫時擱置了這個問題。

後來，當時在摩爾研究小組的博士生荀傅想設計一個帶尾巴的機器人。他們透過詳細的電腦模擬重新探討這個問題，旨在探索尾巴的關節如何影響身體在空間中的旋轉能力。該團隊表示，他們的研究是首次透過模擬比較不同複雜附肢在三維空間中扭轉和轉動的效果。

具體而言，他們想了解增加骨節數量和改變其長度是否會增強尾巴旋轉身體的能力。研究團隊設定了挑戰：僅透過尾巴的運動，一個箱形身體必須在零重力空間中重新定位自己，進行翻轉和旋轉。每條尾巴的評判標準是其身體接近每個目標的程度。為了公平對比，研究團隊限制了尾巴改變位置所能使用的總力量。在有多個骨節的尾巴中，所有關節的最大力量總和，等於單一骨節尾巴控制關節所產生的最大力量。

該研究的第一作者、現已畢業的機器人學博士荀傅表示：「在探索不同尾巴關節配置的影響時，尤其是在最佳化過程中允許個別骨頭長度變化時，我們並不知道結果會是怎樣。」在密西根大學機器人學教授拉姆・瓦蘇德萬和機器人學博士生張博豪的幫助下，研究團隊利用模型發現了最適合引發身體旋轉的尾巴結構：它擁有最多的骨節，起始骨頭較短，迅速延伸至最長的骨頭，然後逐漸向尾巴尖端變短。

隨後，摩爾和荀傅聯絡了加州大學聖地牙哥分校的合作夥伴，他們正在研究哺乳動物尾巴骨的博物館標本。在加州大學聖地牙哥分校的資料中，幾乎所有依靠空中重新定位的哺乳動物都顯示出相似的骨頭長度模式。

加州大學聖地牙哥分校細胞與發育生物學教授金伯莉・庫珀的博士後研究員塞裡・韋伯說：「哺乳動物的尾巴骨骼彼此差異很大，現在我們可以說，這種特定型別的尾巴進化是為了便於慣性機動。我們期待看到其他型別的尾巴如何運動。」

摩爾建議，像他們這樣的模擬可以擴充套件到比較手臂、腿部或翅膀在複雜三維形狀下運動的效果，以實現空中扭轉、保持平衡等功能。這些結果可以揭示人類和動物的生物力學原理，並指導機器人的設計。荀傅說：「最佳化尾巴中那種先增後減的長度分佈模式，就像生物學家在某些哺乳動物尾巴中觀察到的那樣，既令人驚訝又引人入勝。從某種程度上說，我認為這凸顯了我們要真正彌合生物物理學和機器人效能之間的差距，還需要對這些動物進行更多的探索。」