加利福尼亚大学受壁虎滑翔启发，让长出第五条腿的机器人“飞”起来并稳稳着陆

作者 | Robospeak

壁虎是自然界典型的爬行高手，可以轻松爬上光滑的垂直表面，甚至能在倒挂的天花板上移动。

不过见多了这样爬来爬去的壁虎，你知道它也会滑翔吗？

看起来不主修飞行学的壁虎，实际上可是天生的滑翔高手，降落的时候会头朝下撞到树干上，虽然看起来有点蠢萌，但稳定性还是很好的。

这种强大的运动能力和稳定性并不完全取决于壁虎的脚，尾巴起着举足轻重的作用，可以帮助壁虎在滑翔后稳定着陆。

最近，加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员研究了壁虎的这种滑翔机制，并开发了一款有尾巴的软体机器人，没有翅膀也能“飞”起来，像壁虎一样可以滑翔到垂直表面上并稳定着陆。

这项研究发表在Nature's Communications Biology上，名称叫做“Tails stabilize landing of gliding geckos crashing head-first intotree trunks”

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尾巴是第五条腿，

帮助壁虎在撞击后稳定下来

发起这项研究的 Ardian Jusufi 在新加坡热带雨林里进行了多项实验，有尾巴的壁虎被放置在离地面七米的平台上，当它跳到附近的一棵树上时，高速摄像机捕捉到坠落并显示壁虎速度达到 6 m/s，刚好超过 21 km/h，如果换成汽车，以这种速度撞在树上会很惨不忍睹，但壁虎稳稳地落在树干上而没有掉下来，就好像什么都没发生似的往前走。

而对于无尾的壁虎，情况则恰恰相反，自然失去尾巴的壁虎在降落后无法保持抓地力，会从树干上掉下来。

壁虎用来缓冲冲击的机制是将其躯干向后弯曲 100 度，在弯曲过程中，前脚会失去抓地力，只有后腿保持连接，尾巴会在迅速形成支撑，减少后腿上的力来使它们保持附着在树上。

这就是为什么壁虎的尾巴被称为它们的“第五条腿”，不仅如此，壁虎在垂直墙壁上快速爬行时，不仅如此，尾巴可以充当“第五条腿”，如果遇到很滑的表面，会在不到 30 毫秒的时间内启动尾巴反射，防止后仰并摔落。

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受壁虎启发，给机器人加持“灵活小尾巴”

如何让壁虎的灵活小尾巴机制用在机器人身上呢？

为了更精准的模仿这种机制，研究人员建立了壁虎尾巴的平面动力学模型，将后足表示为一个旋转关节，具有与直立的树表面垂直和相切的两个反作用力分量，而壁虎的躯干表示为围绕该关节旋转的单个刚性均匀体，尾部力可以表示为垂直于直立的树表面的点载荷。

基于该数学模型，研究人员开发了灵活的壁虎机器人，由柔软的有机硅弹性体通过3D打印制作，机器人和壁虎的体型差不多，总质量为 34.1 g，最大长度为 254 mm。

为了固定在墙上，机器人具有四个柔顺的脚，每个脚上都有一个小魔术贴垫，尾巴通过嵌入弹性体的弹簧钢丝通过微型伺服驱动，并由板载 SAMD21 微处理器控制。当前脚碰到表面时，会控制机器人弯曲尾巴，就像在攀爬壁虎中发现的反射一样，信息通过肩部的微控制器进行处理，该信号激活电机以拉动肌腱，从而将尾巴推入墙壁，以减缓头部后跟后仰的速度。

机器人本身是无法直接跳起来并滑翔的，还需要一个帮助它起跳的实验装置。实验装置由弹射器、线性导轨和着陆装置组成，在发射之前和发射过程中，机器人被电磁铁固定在支架上，电磁铁通过距离轨道末端 1 厘米的触发开关停用，释放机器人，而不会因托架与制动器的碰撞而产生任何扰动。

着陆装置是一块具有6 轴力传感器的木板，上面覆盖着毡布片，以降低传感器噪音。力传感器记录了当机器人模型以 10 kHz 撞击墙壁时脚部产生的力，摄像头以 800 fps 的速度记录运动。

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79次着陆实验，尾巴越长，着陆稳定性越好

研究人员对该机器人进行了79次的着陆试验，当机器人前脚第一次接触墙壁时，平移动量迅速转换为角动量，这意味着当机器人的后脚到达着陆面时，机器人继续旋转，如果附着力不足，前脚就会脱离。

然后，机器人将在其几何形状允许的范围内从着陆表面向地面旋转。在这个阶段，如果机器人没有尾巴，就会从墙上掉下来，而被动尾巴则为后仰提供阻力，并有效地充当旋转减震器。

（没有尾巴的机器人会掉下来）

同时，机器人像壁虎击中树一样突然击中测力台，将其躯干向后倾斜与表面成直角，研究人员测量了机器人前后脚在撞击时所承受的力。他们发现，尾巴越长，将后脚拉离水面的力就越小，该力越小，机器人越容易抓住；然而，如果没有尾巴，后脚上的力就会变得太大——机器人失去抓地力、弹开并摔倒。

（机器人尾巴越长，越容易稳定着陆）

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来自大自然的解决方案

在机器人滑翔的应用中，大部分研究都会尽量避免快速、短距离滑翔，因为没有足够的垂直落差来降低速度，很容易撞击和损坏机器人。

之前没有人量化过壁虎神奇的滑翔行为，加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员深入热带雨林拍摄并观察壁虎，从而发现了壁虎滑翔行为的机制，对改善这一问题具有重要意义，也可以促进更多仿生学的相关研究。

研究人员Robert Siddall表示：“大自然对工程问题有许多意想不到的、优雅的解决方案——壁虎可以利用它们的尾巴将头部碰撞转变为成功的落地动作，这很好地说明了这一点。从飞行中着陆很困难，我们希望我们的发现能够引领机器人移动的新技术——有时碰撞是有帮助的。”

参考链接

https://www.nature.com/articles/s42003-021-02378-6#Sec11

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