“夜猴”跳跃机器人惊艳：敏捷性达到每秒1.7米

加州大学伯克利分校（UC Berkeley）仿生微系统实验室（Biomimetic Millisystems Lab）研发出了一个微型跳跃机器人Salto，体重仅有100g，是目前最敏捷、跳跃能力最好的有腿跳跃机器人，平均每隔0.58秒就可以进行一次高达1米的跳跃，跳跃敏捷性为1.7 m / s。这项研究成果发表于国际著名杂志《科学》（Science）的最新子刊《科学·机器人》（Science Robotics）的创刊号上。

当天，麻省理工科技评论、华盛顿邮报、路透社、每日邮报、每日电讯、南华早报、美国之音、CNET、Gizmodo、Popular Science、Engadget、Mashable、IEEE Spectrum等全球媒体纷纷刊文报道了这项技术。

由罗纳德·菲尔林（Ronald Fearing）领导的加州大学伯克利分校仿生微系统实验室一直致力于模拟生物的操纵、运动、感知、驱动以及控制策略等特征来从根本上改善微型机器人的性能，并以其出色的微型仿生机器人而著名。

其中，邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）的发明成果最多，包括奔跑机器人、带翅膀的机器人、带尾巴的机器人甚至带头发的机器人等。霍尔丹团队特别擅长寻找那些最有才华和能力的动物作为其仿生设计的灵感来源。Salto就是由霍尔丹团队研发出的。

Salto的设计灵感来自于自然界中最佳跳高运动员之一——夜猴（galago）。夜猴是一种小型的非洲灵长类动物，体重只有几公斤，单次跳跃就能超过高高的灌木丛（约2米）。

生物学家在十多年前才知道夜猴这种超高跳跃能力的秘诀：夜猴利用腿部结构放大其肌肉和肌腱的力量。起跳之前，夜猴会蹲伏延长起跳阶段足部与地面的接触时间，将更多力量上传到伸展的肌腱中。这样，比起单使用肌肉力量，这种机制能让加速度提升15倍多。

研究者称，有效的跳跃运动不仅仅指跳跃的高度，还在于跳跃的频率。此处的“敏捷性”指的是微型机器人在不断重复跳跃过程中能达到的跳跃高度，更专业的说法是“跳跃系统在进行重复跳跃运动时能达到的最大平均垂直速度”。所以，假设夜猴每0.78秒能够跳跃1.7米高度，其敏捷性为2.2米每秒。

为了达到高度敏捷性，不仅要跳的高，还要跳的频繁。例如，瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）开发的蚱蜢仿生跳跃机器人的垂直跳跃高达1.3米，但却只能每隔4秒跳跃一次，所以其敏捷性很低。相比之下，宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）开发的四腿跳跃机器人Ghost Minitaur跳跃高度只有0.48m，却能够每0.43秒跳跃一次，所以尽管其跳跃高度较低，但是其敏捷性却较高。

不同驱动类型的跳跃机器人系统的敏捷性：时间周期为4s，自左向右分别为并联弹性体驱动的EPFL跳跃机器人、刚性的Minitaur机器人、串联功率调节式驱动的夜猴仿生跳跃机器人（本文）以及动物夜猴。每个箭头代表一次跳跃运动；箭头右侧数字分别表示跳跃高度和跳跃周期；顶部数字表示敏捷性。

提升敏捷性涉及到提升跳跃高度或跳跃频率，或着（通常）两者都提升。夜猴虽然能够跳的很高，但使其如此敏捷的还是其快速周而复始的跳跃能力。大多数跳跃机器人都具有低敏捷性（如EPFL蚱蜢机器人），因为其必须耗费时间收缩弹簧以便储存足够的能量用于再次跳跃，这当然会拉低其跳跃频率。

然而，霍尔丹团队希望设计出能够匹敌夜猴跳跃高度和跳跃频率的微型跳跃机器人，从而达到相似的高敏捷性。最终，研究者研发的仿生跳跃机器人敏捷性与夜猴十分接近，每隔0.58秒可以跳跃1米，敏捷性为1.7 m / s。

Salto的基本跳跃单元与常见的跳跃机器人类似：弹性元件，如弹簧。不同的是，Salto跳跃系统中的弹性元件（有点类似橡胶的能够扭曲的弹簧）是串联放置的，从而获得串联弹性驱动器（SEA）。串联弹性驱动器性能很好，不仅有助于保护电机，还能进行力控制，使得跳跃系统能够被动恢复一些能量，并且能够进行功率调制。

其中，功率调制非常重要。功率调制指的是一个受控（调制）的能量存储和释放过程。在类似Salto这样的跳跃机器人的情况下，这意味着能够以一个相对较长的时间向系统弹性元件输送能量，然后以相对较短的时间释放该能量。

大多数性能优异的跳跃机器人都是使用弹性驱动器来调制其供能的方式：利用马达卷起弹簧储存能量，然后立即释放所有能量用以跳跃。如果能够直接利用马达的输出功率，跳跃机器人的性能会更好。

夜猴的肌肉和肌腱就类似人工系统中的弹簧。然而，研究者实现Salto高敏捷跳跃系统主要模拟了夜猴另一提高其跳跃能力的特点：具有可变机械增益（mechanical advantage，MA）的腿。夜猴腿部的结构以及其跳跃时的技巧，使得夜猴的跳跃能力比单独使用肌肉时获得惊人的15倍提升！这才是研究人员为Salto寻找的秘密武器。

功率调制模型及实例。（A）功率调制系统模型，包含串联弹性驱动器以及机械增益（MA）模块。（B）机器人机构的链接示意图。（C）Salto跳跃机器人的整体实物图。

　　机械增益（MA）指的就是利用杠杆（如撬棍）将较小的力和较大的运动幅度转换为较大的力和较小的运动幅度。

Salto（以及夜猴和其他跳跃动物）腿部结构的独特之处在于其机械增益是可变的：当腿蜷缩时（当机器人或动物处于蹲伏状态时），具有非常低的机械增益；而在跳跃运动开始时，尽可能地保持低机械增益；然后，随着跳跃运动进行和腿部伸展，机械增益迅速增加。

实质上，这种技巧减缓了起跳的过程，从而保证了足部与地面接触更多的时间。霍尔丹称夜猴的这种蹲伏状态为“超蜷缩”（super crouch）。

　　
机械增益（mechanicaladvantage，MA）模块作为腿部伸展功能。卡通图表示机器人腿部机构完全蹲伏以及完全伸展的状态。

这种基于机械增益调节的蹲伏状态使得Salto机器人在起跳阶段与地面的接触时间增加60毫秒。虽然，60毫秒听起来微乎其微、甚至察觉不到，但相比于不可变机械增益系统，Salto的这种可变机械增益使得通过其腿部传输的能量提升超过两倍之多！相应的跳跃功率提升了接近3倍！

类似Salto但仅使用串联弹性驱动器（不具备可变机械增益）的跳跃机器人能够跳到0.75米，而Salto（具有可变机械增益）能够跳跃高达1米。

各种动物（蓝色方块）及机器人系统（灰色圆点）的跳跃高度增益和跳跃频率。图中三条灰色双曲线分别表示三个敏捷性常数0.3 m/s、1 m/s和2m/s。红色圆点表示伯克利研究者的微型跳跃机器人。

这就是Salto如此酷的地方：仅利用一个仿生动物腿部设计的小花招，就能获得跳跃性能的巨大提升！虽然目前Salto还不能完全匹敌夜猴，但足以和牛蛙表现的一样好（如图红点位置）。

此外，炫酷的Salto已经能够轻松弹离墙面玩“跑酷”运动（Parkour）——利用垂直墙面增加Salto的弹跳高度或者改变弹跳方向。当然，你可能已经注意到Salto目前还没有很多感知能力，其跳跃运动也是开环的。Salto利用旋转惯性尾定位自身，但其尚不能独立适应不同的表面。

研究人员称，下一步计划包括研究新的运动模式以及集成传感器实现多级跳跃。此外，还有可能增加一条腿（或三条腿）进行有意思的研究，但至少在近期，霍尔丹称其将继续挖掘单腿版本的Salto的潜力。

此外，值得一提的是，Salto使用的可变机械增益腿部结构能够兼容大多数使用串联弹性驱动器（SEA）的其他腿式机器人，如StarlETH、ANYmal或ATRIAS。这种可变机械增益结构如何提升其他平台的性能和效率，我们拭目以待。