跳跃机器人飞跃记录高度

由加州大学圣巴巴拉分校工程学教授 Elliot Hawkes 和合作者开发的机械跳线能够达到迄今为止任何跳线（工程或生物）的最高高度——大约 100 英尺（30 米）。这一壮举代表了一种全新的跳跃装置设计方法，并促进了对跳跃作为一种运动形式的理解。

“动机来自一个科学问题，”霍克斯说，作为一名机器人专家，他试图了解机器能够在其环境中导航的许多可能方法。 “我们想了解工程跳线的限制是什么。”他说，尽管对生物跳线（这将是我们在动物王国中的我们）进行了数百年的研究，并且对主要受生物启发的机械跳线进行了数十年的研究，但这两条研究线一直保持一定程度的分开。 “还没有真正的研究来比较和对比两者以及它们的限制有何不同——工程跳线是否真的受到与生物跳线相同的法律限制，”他说。

长期以来，生物系统一直是运动的第一个也是最好的模型，对于跳跃来说尤其如此，研究人员将跳跃定义为“由跳跃者施加在地面上的力产生的运动，同时保持恒定的质量。”许多工程跳线都专注于复制进化提供的设计，并取得了很好的效果。

但是，在生物系统中创造跳跃的元素可能会限制工程系统，博士 Charles Xaio 说。霍克斯实验室的候选人。

Xaio 说：“生物系统的跳跃能量只能与它们在一次肌肉中产生的能量一样多。”因此，该系统在将身体推离地面时所能提供的能量是有限的，并且跳跃者只能跳这么高。

然而，对于工程跳线，研究人员认为可能有一种方法可以增加可用能量。

他们使用棘轮或旋转的马达来进行多次冲程，从而使他们可以储存在弹簧中的能量成倍增加。研究人员将这种能力称为“功倍增”，可以在各种形状和尺寸的工程跳线中找到。

“生物跳线和工程跳线的能量产生之间的差异意味着两者应该有非常不同的设计来最大化跳跃高度，”肖说。动物应该有一个小弹簧——只够储存它们单次肌肉中风产生的相对少量的能量——和一个大的肌肉质量。相比之下，工程跳线应该有尽可能大的弹簧和微型电机。”

研究人员利用这些见解并设计了一种与生物跳线完全不同的跳线——它的弹簧相对于它的马达的大小比动物身上发现的大近 100 倍。此外，他们设计了一种新的弹簧，力求最大化其单位质量的能量存储。在他们的混合拉压弹簧中，碳纤维压缩弓被压扁，而橡皮筋通过拉动缠绕在电机驱动主轴上的线来拉伸。研究小组发现，用张紧的橡胶将弓的向外弯曲边缘连接到中间也可以提高弹簧的强度。

“令人惊讶的是，橡胶使压缩弓形弹簧更坚固，”霍克斯说。 “你可以进一步压缩弹簧而不会断裂。”

跳线设计轻巧，具有简约的闩锁机制，可释放跳跃能量，并且符合空气动力学，腿部折叠以最大程度地减少飞行过程中的空气阻力。总而言之，这些设计特征使其能够在 9 毫秒内从 0 英里/小时加速到 60 英里/小时——加速力为 315 克——并在研究人员的演示中达到大约 100 英尺的高度。根据这项研究，对于电机驱动的跳线，这“接近目前可用材料的跳跃高度的可行极限”。

这种设计和超越生物设计限制的能力为将跳跃重新想象为一种有效的机器运动形式奠定了基础。跳跃机器人可以到达目前只有飞行机器人才能到达的地方。

在地球外，这些好处会更加明显。跳跃机器人可以高效地穿越月球或行星，无需处理表面上的障碍物，同时还可以访问基于地形的机器人无法到达的特征和视角。

霍克斯说：“我们计算出，该装置在月球上向前跳跃半公里时，应该能够清除 125 米的高度。”他指出，月球的重力是地球的 1/6，基本上没有空气阻力。 “这将是工程跳线的一大飞跃。”