机器心脏报告

编辑：陈萍、杜伟

在陆地上行走，在海里游泳，这只机器龟在外形和性能上与真龟无异！

现存最古老的爬行动物海龟，它们可以生活在陆地和水中。

与海龟等两栖动物不同，主要栖息在一个生态环境中的动物往往表现出特殊的身体规划和步态运动学，以提高运动效率，但在其他环境中的表现下降。相反，半水生和半陆生动物在形状和步态上表现出一种内在的妥协，这使得它们在两种环境中都很有效率。

研究领域出现了针对特定环境的专门移动机器人，它们通常局限于在陆地或水中运行，而无法兼顾两者。因此，发展两栖机器人非常重要。

最近，来自耶鲁大学的研究人员发明了一种两栖机器人，其灵感来自海龟和陆龟。这个机器人是通过一个叫做“适应性形态发生”的过程完成的。他们还给这个机器人取了一个特别贴切的名字，英文叫ART(两栖机器人)，中文叫“两栖机器龟”。

这项研究发表在10月12日的《Nature》封面上。

地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05188-w.

说到龟和陆龟，它们都有相似的身体、四肢和一个外壳，但它们有独特的肢体形状和步态来适应它们特定的环境。正如论文作者之一RebeccaKramer-Bottiglio所说，乌龟的鳍状肢很长，容易游泳，而乌龟的腿是圆的，走路时容易负重。

机器龟结合了两者的特点。它有可变形的肢体，可以根据周围环境调整肢体的形状、刚度和运动。当机器龟从一个环境过渡到另一个环境时，它的四肢使用可变刚度材料和人造肌肉来改变形状。艺术有灵活的四肢：

艺术的四肢可以变形：

当这个机器人被放在陆地上时，它可以以各种步态在陆地上行走。

到达水中后，ART将他的腿变成鳍状肢，使他能够基于升力和阻力以水的步态游泳。

艺术从陆地来到水中：

《自然》杂志首席物理科学编辑KarlZiemelis说：你几乎可以认为“适应性形态发生”是一种按需的机器人进化形式。

ART与其他两栖机器人的区别在于，它可以在水中和陆地环境下使用相同的部件推进，而其他机器人需要增加多个推进机构来适应不同的环境，这将导致能效较低。“我们的研究结果表明，适应性形态发生可以提高机器人在各种环境下的移动效率，”通讯记者Kramer-Bottiglio说。

这种两栖机器龟有许多潜在的应用，包括沿海岸线的生态系统监测和海洋文化。此外，机器龟还将帮助研究人员在复杂的冲浪区和其他环境过渡区研究运动物理。

两栖机器龟怎么形成的？

下图A中，ART复制了与龟种高度适应的肢体形状和步态，形成了一个特殊的运动模式平台，可以在水生和陆生栖息地之间转换。

图b是比例为30毫米的变形肢体的侧视图

图c是比例为0.16米的机器龟的CAD模型的等轴视图和俯视图，其中、和分别表示向前和向后、向上和向下移动的轴，以及处于一个迎角。

下图2显示了艺术的游泳形式。图A显示机器龟通过调节浮力在水面和水下游泳。

图B显示了受海龟启发的扑翼步态的攻角偏差和运动成本(COT)之间的关系。三个不同区域的亮点：左边(红色)区域，扑腾床高于游泳；在中间(黄色)区域，COT在10度的跨度内减小，表示机器龟产生的主推力的过渡；在右侧(蓝色)区域，COT接近其最佳值。

图C和D分别示出了游泳和拍动步态的一个步态周期(上)、X步态周期(中)和Z步态周期(下)的重要步骤。

下面的图3显示了艺术的行走形式。图A显示了艺术可以以直立爬行的步态轻松跨越多个陆地基底。

图B的顶部显示了步态周期的重要步骤，底部显示了和电机的指令编码器的位置。BL指左后腿，BR指右后腿，FL指左前腿，FR指右前腿。

图c示出了ART的左后肢的远端的3D运动捕捉具有多于五个步骤。图d示出了运动捕捉z轴投影。

下面的图5显示了过渡策略和COT上下文。其中，图a-c显示了艺术的游泳(a)、行走(b)和过渡(c)形式，图D显示了与其他动物和机器人相比，艺术优于一些最先进的单峰陆地和水上机器人。此外，由于加入了压载物，机器龟在水下游泳时的质量也增加了。

更多技术细节请参考原论文。

参考链接：https://news。Yale . edu/2022/10/12/变形-四肢-机器人-旅行-陆地和水。