多腿动物和机器人行走的物理原理比以前想象的要简单。这是机器人专家、物理学家和生物学家团队在 9 月 5 日出版的《美国国家科学院院刊》上描述的发现，题为“像滑翔一样行走：统一的、数据驱动的运动视角”。 "
“这很重要，因为它将允许机器人专家建立更简单的机器人如何在世界上行走和移动的模型，”论文合著者、加州大学圣彼得堡分校机械与航空航天工程系的教员 Nick Gravish 说。迭戈。
研究人员此前曾研究过蚂蚁行走，并想看看他们的发现如何应用于机器人。在这个过程中，他们发现了无数机器人在粘性流体中的行走、跳跃、滑翔和游泳之间的新数学关系。
该团队在加州大学圣地亚哥分校研究了几个阿根廷蚁群，在密歇根大学研究了两种不同类型的多足机器人。
“阿根廷蚂蚁很容易在实验室中研究，”论文共同作者、波特兰大学教员格伦娜·克利夫顿 (Glenna Clifton) 说，她在加州大学圣地亚哥分校的 Gravish 实验室担任博士后的大部分工作。蚂蚁研究。
阿根廷蚂蚁是很好的步行者，可以在各种地形上长途跋涉。蚂蚁也很容易适应实验室环境，迅速重建它们的殖民地。然后，研究人员可以通过将食物放在特定位置来激励他们走路。 “这些蚂蚁将建立觅食路径并跟随它们，”克利夫顿说。 “他们迅速反弹，他们没有记仇。”
为了研究这些不同的动物和机器人，研究人员使用了由密歇根大学 Shai Revzen 的研究小组开发的一种算法，该算法将复杂的身体运动转化为形状。 “这个算法让我们能够在你所处的姿势和你接下来要移动的位置之间建立一个简单的关系，”Gravish 说。
研究人员发现，相同的算法可以应用于研究中的蚂蚁和两种不同类型的机器人，尽管它们行走的滑倒量差异很大。阿根廷蚂蚁在行走时也不会滑倒太多——只有它们总运动量的 4.7%。相比之下，研究中六足 BigANT 机器人的滑倒率为 12% 至 22%，而研究中具有 6 至 12 条腿的多足机器人的滑倒率为 40% 至 100%，这些机器人有时会爬行。
使用这个模型，研究人员可以根据昆虫或机器人的姿势或形状预测其下一步将移动到哪里。研究人员写道：“这为运动受环境摩擦支配的情况提供了一个通用的定位模型。”
研究人员使用的数学并不新鲜。但这个数学被认为只适用于在粘性液体中滑行和游泳。该团队表明，无论步行者是否滑倒，相同的方程式适用于多条腿行走。同样，同样的规则也适用于毫米级昆虫，例如蚂蚁，以及米级机器人。该论文的早期版本的标题是“Walking Like a Worm”。
研究人员写道：“这种方法的普遍性可能适用于机器人设计和运动规划，并提供对腿部运动进化和控制的见解。”
研究人员假设这些一般原则可能对理解主要的进化转变产生影响，例如从游泳到步行的转变。鉴于行走，即使在滑倒时，也遵循与粘性游泳相同的一般控制原则，早期的陆地动物可能已经拥有在陆地上移动所需的神经回路。
研究人员没有研究两条腿的生物，但只要它们移动缓慢，该模型就适用于它们；双脚同时着地；不要跌倒。 （图片迈克尔杰克逊在月球上行走。）
团队还有更多的微调要做，例如了解摩擦在模型中的作用。
“无论哪种方式，走路都比我们通常想象的要简单得多，”格雷夫什说。
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