Nature 正刊！新型仿生機(jī)器人 RAVEN，3D 打印賦能鳥類起飛機(jī)制研究

2024年12月，南極熊獲悉，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的研究人員在Nature上發(fā)表了關(guān)于仿生機(jī)器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果。此機(jī)器人模仿鳥類，能夠行走、跳躍和飛行，并利用受鳥類啟發(fā)的起飛機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效的空中-地面過(guò)渡。3D 打印技術(shù)在 RAVEN 的制造過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，賦能了這項(xiàng)突破性研究。



研究背景
多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的開發(fā)一直面臨挑戰(zhàn)，如何結(jié)合多種運(yùn)動(dòng)模式（如行走、跳躍和飛行）而不增加過(guò)多的重量和機(jī)械復(fù)雜性是一個(gè)難題�，F(xiàn)有的多模態(tài)機(jī)器人通常只有一種除飛行外的運(yùn)動(dòng)模式，而鳥類能夠輕松地在不同運(yùn)動(dòng)模式之間切換，這激發(fā)了研究人員的靈感。鳥類高效的起飛機(jī)制，特別是跳躍起飛，成為了 RAVEN 設(shè)計(jì)的核心思想。


△受鳥類啟發(fā)的機(jī)器人設(shè)計(jì)和功能

研究?jī)?nèi)容
RAVEN 的核心創(chuàng)新在于其受鳥類后肢啟發(fā)的仿生腿部機(jī)構(gòu)，與復(fù)雜的鳥類腿部結(jié)構(gòu)不同，RAVEN 的腿部設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化到只有臀部、踝部和腳部三個(gè)主要部分，并通過(guò)控制臀部和踝部關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)行走、跳躍和飛行等多種運(yùn)動(dòng)模式。


△3D打印起到關(guān)鍵作用

為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，研究人員大量應(yīng)用了 3D 打印技術(shù)。RAVEN 的許多關(guān)鍵部件，包括齒輪箱、腿部連接件、腳部結(jié)構(gòu)以及機(jī)身框架等，都是使用3D打印機(jī)Ultimaker S5以及高韌性PLA材料制成的。這種制造方式不僅可以快速構(gòu)建復(fù)雜的幾何形狀，還能夠根據(jù)需要調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，從而優(yōu)化機(jī)器人的性能。例如，RAVEN 的腳部設(shè)計(jì)采用了扁平足結(jié)構(gòu)，并通過(guò) 3D 打印技術(shù)在腳趾處集成了被動(dòng)彈性關(guān)節(jié)，以增強(qiáng)其在陸地運(yùn)動(dòng)和地面-空中過(guò)渡過(guò)程中的穩(wěn)定性和靈活性。此外，3D 打印還使得研究人員能夠快速迭代設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)中不斷改進(jìn) RAVEN 的性能。

除了腿部機(jī)構(gòu)，RAVEN 還配備了前置螺旋槳、機(jī)翼和尾翼，以實(shí)現(xiàn)空中飛行。通過(guò)同步控制腿部運(yùn)動(dòng)和螺旋槳推力，RAVEN 能夠快速地從地面過(guò)渡到空中。


△Ultimaker S5打印機(jī)是一款準(zhǔn)工業(yè)級(jí)的3D打印機(jī)，具有先進(jìn)的雙噴頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、較大的構(gòu)建體積并且支持上百種耗材

研究結(jié)果


△起飛實(shí)驗(yàn)


△陸地運(yùn)動(dòng)：RAVEN能夠以0.23米的速度連續(xù)行走(a)，跳過(guò)11.5mm的間隙(b)，跳躍過(guò)26cm的垂直障礙

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RAVEN 能夠以每秒 2.4 米的速度（相當(dāng)于其身長(zhǎng)的 4.8 倍）跳躍起飛，這比單純依靠螺旋槳起飛的效率更高。與其他起飛方式（如墜落起飛和站立起飛）相比，跳躍起飛在速度和能量效率方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，RAVEN 還能夠進(jìn)行行走、跳躍和高度跳躍等多種地面運(yùn)動(dòng)模式，展現(xiàn)了其多功能性和靈活性。

展望
RAVEN 的成功研制為多模態(tài)空中機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了新的思路。未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步探索更輕便的材料和更高效的驅(qū)動(dòng)方式，并利用 3D 打印技術(shù)優(yōu)化 RAVEN 的結(jié)構(gòu)和性能。這項(xiàng)研究有望推動(dòng)多功能機(jī)器人的發(fā)展，并將其應(yīng)用于搜索救援、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。 3D 打印技術(shù)的快速迭代和定制化優(yōu)勢(shì)將在未來(lái)機(jī)器人研發(fā)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，推動(dòng)多模態(tài)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9