仿生松鼠機器人：跳躍與平衡的極致挑戰

工程師們已經設計出能爬行、游泳、飛行，甚至像蛇一樣滑行的機器人，但至今仍沒有任何機器人能與松鼠相媲美。松鼠能在茂密的樹枝間穿梭，跨越危險的間隙，並在最脆弱的樹枝上精準著陸。為了彌補這一差距，加州大學柏克萊分校的生物學家與工程師們正著手研究，試圖從松鼠的跳躍與著陸生物力學中汲取靈感，設計出一款能夠精準著陸於狹窄平臺的跳躍機器人。

這項研究成果於3月19日發表在《科學機器人學》期刊上，標誌著機器人設計領域的一大進步。這種更靈活的機器人未來有望在建築工地的桁架與樑柱間跳躍，或用於監測錯綜複雜的森林與樹冠環境。論文的資深作者之一、加州大學柏克萊分校整合生物學教授羅伯特·富爾（Robert Full）表示：『現有的機器人表現尚可，但如何讓它們更上一層樓？如何在災難環境中，讓機器人在管道、橫樑與電線間穿梭？松鼠可以輕鬆做到，但機器人卻不行。』

富爾進一步強調：『松鼠是自然界的最佳運動員，它們的機動性與逃生能力令人難以置信。我們的目標是定義這些動物的控制策略，賦予它們廣泛的行為選擇，從而完成非凡的壯舉，並利用這些資訊打造更靈活的機器人。』基於這一理念，研究團隊改良了一款名為Salto的單腿機器人，使其能夠像松鼠一樣在樹枝狀平臺間跳躍。

Salto機器人由加州大學柏克萊分校於2016年開發，原本只能在平地上跳躍與著陸。論文的共同第一作者、前加州大學柏克萊分校研究生賈斯汀·尹（Justin Yim）將富爾及其生物學團隊在松鼠身上的發現應用於Salto，使其能夠精準著陸於狹窄的桿狀目標。尹解釋道：『就像玩跳房子游戲時，你希望雙腳落在特定位置並站穩，而不是多走一步。我們為機器人程式設計了類似的行為：如果它會向前傾，就應伸展身體；如果會向後倒，則應蹲下。』

基於這些策略，尹正著手設計一款小型單腿機器人，用於探索土星的衛星恩克拉多斯（Enceladus）。由於那裡的重力僅為地球的八十分之一，單次跳躍即可讓機器人飛越一個足球場的長度。這項新設計基於對松鼠著陸生物力學的分析，相關論文已於2月27日線上發表在《實驗生物學雜誌》上。

Salto的全稱是『地形障礙上的跳躍敏捷運動』，其研發始於十年前，由加州大學柏克萊分校電氣工程與電腦科學系教授羅納德·費林（Ronald Fearing）的實驗室主導。其跳躍、跑酷與著陸能力得益於富爾的『多足實驗室』與費林的『仿生毫系統實驗室』之間的長期跨學科合作。尹在攻讀博士學位期間，每兩週與富爾的團隊會面，學習他們的生物學實驗，並嘗試讓Salto在戶外精準著陸於特定目標，如樹枝。

研究團隊發現，松鼠在完成一次壯麗的跳躍後，會像做倒立一樣將著陸力透過肩關節傳遞到樹枝上，以儘量減少關節壓力。隨後，它們會用腳掌抓住樹枝並扭轉，以克服可能使其翻倒的額外扭矩。富爾指出：『幾乎86%的動能都由前腿吸收，它們實際上是倒立在樹枝上，然後腳掌產生拉力或制動力來保持平衡。』

尹與加州大學柏克萊分校的本科生埃裡克·王（Eric Wang）重新設計了Salto，使其能夠調整腿部力量，並補充反應輪的扭矩。儘管Salto的腳部無法抓握，但經過這些改良後，它已能多次成功跳躍並平衡於樹枝上。尹表示：『我們選擇了最具挑戰性的路徑，讓機器人無法用腳施加任何扭矩。未來，我們可能會探索更強大的抓握器，以大幅擴充套件機器人的著陸能力。』

富爾目前正在研究松鼠腳部著陸時施加的扭矩的重要性。與猴子不同，松鼠沒有可用的拇指來抓握樹枝，但它們可能因此獲得優勢。富爾解釋道：『如果松鼠被獵鷹或其他松鼠追趕，它們需要足夠穩定的抓握力，以便快速跑酷，但又不能抓得太緊。它們不必擔心鬆手，只需彈開即可。』

單腿機器人聽起來可能不切實際，但在跳躍高度方面，單腿設計是最佳選擇。尹指出：『單腿是跳躍的最佳選擇，因為你可以將最多的力量集中在這條腿上。隨著跳躍高度的增加，單腿設計的缺點也會減少。當跳躍高度遠超過腿長時，多條腿的作用與單腿無異，因此不如直接使用單腿。』

這項研究不僅為機器人設計提供了新思路，也讓我們更深入地理解了自然界中動物的卓越能力。未來，仿生機器人有望在更多複雜環境中大顯身手。