仿跳蟲機器人：小身材大跳躍，挑戰極限的微型機器人

跳蟲，這種常在落葉堆和花園土壤中爬行的小蟲子，以其驚人的跳躍能力聞名。受到這些六足跳躍專家的啟發，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的機器人專家們開發了一款能行走和跳躍的機器人，這款機器人突破了小型機器人的極限。這項研究發表在《科學機器人》期刊上，預示著未來靈活的微型機器人將能在狹小空間中爬行、在危險地面上快速移動，並在無人幹預的情況下感知環境。

這款新型哈佛機器人由SEAS的工程與應用科學教授羅伯特·J·伍德（Robert J. Wood）的實驗室開發。它是哈佛步行微型機器人（HAMR）的改良版，HAMR原本是模仿靈活且難以殺死的蟑螂而設計的微型機器人平臺。現在，HAMR配備了一個仿跳蟲的機械彈器——跳蟲身體下方類似叉狀尾巴的附肢，跳蟲透過推離地面來進行跳躍。

「跳蟲作為靈感來源非常有趣，因為它們在進化尺度上無論是空間還是時間上都無處不在，」伍德說。「它們擁有一種獨特的機制，涉及與地面的快速接觸，就像一記快速的拳擊，以傳遞動量並啟動跳躍。」

為了實現空中跳躍，這款機器人使用了所謂的「閂鎖介導彈簧驅動」機制，其中勢能儲存在一個彈性元件——彈器中，並能在毫秒內像彈射器一樣釋放。這種物理現象在自然界中屢見不鮮，不僅僅存在於跳蟲中：從變色龍的彈射舌頭到螳螂蝦的捕食附肢，都能看到類似的機制。

伍德的團隊此前曾開發過一款仿螳螂蝦的拳擊機器人。「探索使用類似機制，並結合跳蟲跳躍的見解來設計小型跳躍機器人，似乎是自然而然的，」伍德說。

跳蟲的彈器結構也非常簡潔，僅由兩到三個連線的單元組成。「我認為這種簡潔性最初吸引了我去探索這種解決方案，」第一作者、前SEAS研究員弗朗西斯科·拉米雷斯·塞拉諾（Francisco Ramirez Serrano）說。

團隊利用伍德實驗室開創的簡化微製造流程，開發了這款手掌大小、重量僅如迴紋針般的機器人，它能行走、跳躍、攀爬、擊打，甚至能抓取物體。這款機器人展示了現有機器人中相對體長最長和最高的跳躍能力；其最佳表現是跳躍1.4米，相當於其體長的23倍。相比之下，另一款能跳躍兩倍距離的機器人，其重量卻是哈佛機器人的20倍。

「現有的在平坦地形上移動和跳躍的微型機器人，其靈活性遠不及我們的平臺，」塞拉諾說。團隊在機器人設計中引入了詳細的電腦模擬，以確保每次都能以最佳方式著陸，精確控制其連桿長度、儲存的能量以及起飛前的機器人方向。

將各種運動能力整合到一個輕量級機器人中，讓團隊對未來充滿期待，像這樣的機器人將能穿越人類無法或不應進入的地方。「行走提供了一種精確且高效的移動方式，但在跨越障礙方面存在限制，」伍德說。「跳躍可以越過障礙，但控制性較差。結合這兩種模式，將能有效應對自然和非結構化環境的導航。」