獵豹蓬鬆的尾巴如何為高速敏捷的機器人提供靈感

大資料文摘出品

來源：IEEE

編譯：Hippo

不到十年前，加州大學伯克利分校的研究人員為一輛小型機器人汽車配備了一個末端帶有重物的驅動金屬桿，並用它來展示蜥蜴在空中跳躍時如何用尾巴來穩定自己。這項研究啟發了一大堆其他有尾移動機器人，其中包括開普敦大學的研究人員Amir Patel的幾款漂亮的機器人。

我們看到的機器人尾巴通常是驅動慣性尾巴：一個移動的質量向一個方向移動會導致它所連線的機器人向另一個方向移動。這就是蜥蜴尾巴的運作方式，這是一種非常好的模式。

事實上，人們普遍認為，很多使用尾巴來提高敏捷性的動物都利用了這種慣性原理，包括大名鼎鼎的獵豹。但至少就獵豹而言，實際上沒有人費心去驗證，直到Patel從一群獵豹屍體取下尾巴，並表明事實上獵豹的尾巴幾乎完全是絨毛。那麼，如果不是尾巴的重量幫助獵豹追捕獵物，那麼一定是空氣動力學。

網際網路上充滿了關於獵豹尾巴的「智慧」，其中大部分將其描述成了「有重量」的尾巴並用來「平衡」獵豹身體的其他部位。這很直觀，但卻並不正確，正Amir Patel發現的那樣：

獵豹尾巴的空氣動力學意義非常重要，這實際上是我偶然發現的！ 在我的博士學位即將完成時，我被邀請到南非國家動物園（National Zoological Gardens）進行獵豹的屍體試驗。 試驗的原意是是測量和評估獵豹尾巴的慣性，因為沒有這樣的資料存在。 根據我在野生動物紀錄片中看到的和與南非的相關園區巡邏員交談的結果，通常認為獵豹的尾巴很重，並用作平衡配重。

然而，在試驗過程中獵豹尾巴上的絨毛和面板一旦被取下，所剩的組織出奇的瘦！經測量（這隻以及另外6只獵豹的尾巴）僅佔體重的2%左右，遠低於我的機器人的尾巴。與此同時毛皮的體積佔了尾巴的很大一部分。所以，我認為一定有什麼原因：也許毛皮使尾巴在空氣動力學角度上看起來像一個更大的物體，同時又沒有慣性尾巴的重量損失。

幾年前，Patel與卡內基梅隆大學（CMU）的Aaron Johnson實驗室合作開始研究尾部空氣動力學，這項工作的成果論文最近發表在IEEE Transactions on Robotics上，探討輕量化尾部的空氣動力學阻力如何更加有效的幫助機器人執行動態行為。

Minitaur在上面的視訊中採用的特定尾部設計看起來並不特別像獵豹的尾巴，它由碳纖維和聚乙烯薄膜製成而不是絨毛，並且僅在尾部末端裝有空氣動力學部件，而不是延伸到屁股。這是因為野生獵豹很難長出碳纖維或聚乙烯材料的尾巴，而且研究人員對仿生學的設計進行了優化以最大限度地減少質量。

第一作者Joseph Norby在一封電子郵件中告訴我們：「我們用完整的毛茸茸的尾巴來模仿獵豹的皮毛，但發現半圓柱形狀迄今為止阻力最大。將拖動元件減少到尾端是效率和剛度的平衡。我們本可以讓拖動元件覆蓋尾巴的整個長度，但實際上靠近尾尖的部分產生了大部分阻力。縮短拖動元件的長度有助於保持尾巴的形狀。」

氣動拖尾可能很有吸引力，因為與慣性拖尾不同，它們產生的扭矩量不取決於它們的重量，而是取決於機器人移動的速度：機器人移動得越快，氣動拖尾可以產生的扭矩越大。我們在動物身上也看到了這一點，蓬鬆的尾巴常見於快速移動的動物和跳躍者，如跳鼠和飛鼠。這提供了一些關於什麼樣的機器人可以從這樣的尾巴中受益最大的建議，儘管正如Norby指出的那樣，這些尾巴的最大限制是尾巴安全移動所需的很大工作空間。

雖然這篇論文的重點是量化空氣動力阻力對機器人尾巴的影響，但似乎一些真正有創意的設計潛力巨大。例如，我們想了解具有可調節浮度的尾巴，還向Norby詢問了一些這項研究的可能擴展。

我認為可摺疊或可伸縮的尾部將在不需要尾部時通過減少工作空間來大大提高實用性。基本上，我們研究的所有動物的尾巴都有某種柔韌性，我認為這對提高實用性和耐用性至關重要。

同樣，我們還考慮採用可以快速修改阻力系數的主動或被動設計，無論是通過收起和展開尾部，還是簡單地像我們的半圓柱形一樣旋轉不對稱的尾巴。這也許可以構成一種類似於劃獨木舟的新控制形式：在一個方向上移動時增加阻力，而在另一方向上減小阻力可以產生更多的淨控制權。對於不能與環境相互作用的慣性尾巴，這是完全不可能的。

儘管輕質氣動拖尾這個創意是從動物身上首先得到的，但在利用這些優勢或是基於尾部特點進行設計時，我們沒有理由將自己限制在類似動物的形狀因素上。如果不用擔心質量損失，為什麼不把尾巴放在所有難以保持平衡的機器人上，比如幾乎所有的雙足機器人，對吧？當然，有很多理由不這樣做，但仍然令人興奮的是，氣動拖尾的設計為所有需要平衡幫助的機器人提供了一個平臺，只需要一點點動態運動的協助就可以實現。

相關報道：