加州大学圣塔芭芭拉分校 30 米跳跃机器人刷新高度纪录

加州大学圣塔芭芭拉分校工程教授 Elliot Hawkes 团队开发的机械跳跃器，实现约 100 英尺（30 米）最高跳跃高度——迄今工程或生物跳跃器之最。这一壮举代表跳跃装置设计的全新思路，推进对跳跃作为运动形式的理解。

“动机源于一个科学问题，”寻求理解机器导航环境多种可能方法的机器人专家 Hawkes 说。“我们想了解工程跳跃器的极限在哪里。”虽有数世纪生物跳跃器（动物界）研究和数十年仿生机械跳跃器研究，但两条探索线相对分离。“鲜有研究对比两者极限差异——工程跳跃器是否真受限于生物跳跃器相同定律。”他说。

生物系统长期作为运动模型首选，跳跃尤甚。研究者定义跳跃为“跳跃者对地面施力产生的运动，同时保持质量恒定”。许多工程跳跃器致力复刻进化设计，颇有成效。但生物系统创造跳跃的要素对工程系统可能是限制，博士生 Charles Xiao 说。

“生物系统仅能用单次肌肉收缩产生的能量跳跃。”Xiao 说。系统能给身体离地的能量受限，跳跃高度受限。对工程跳跃器，研究者认为可增加可用能量。他们用棘轮/旋转电机多次冲程，倍增弹簧储存能量。称此能力为“功乘数”，存在于各形状尺寸工程跳跃器中。

“生物与工程跳跃器能量产生差异，意味着两者应有截然不同设计以最大化跳跃高度。”Xiao 说。动物应有小弹簧——仅存单次肌肉冲程产生的较小能量——和大肌肉质量。相反，工程跳跃器应尽可能大弹簧、极小电机。

研究者基于此设计出迥异生物跳跃器的跳跃器——其弹簧相对电机尺寸比生物大近 100 倍。并设计新弹簧最大化单位质量储能：混合张力-压缩弹簧中，碳纤维压缩弓被压缩，橡皮筋被电机驱动主轴缠绕线拉伸。团队发现用张力橡胶连接弓向外弯曲边缘还能增强弹簧强度。

“惊人的是，橡胶让压缩弓弹簧更强。”Hawkes 说。“可进一步压缩而不破裂。”

跳跃器设计轻量化，极简锁扣机构释放跳跃能量，且流线型：腿部收折最小化飞行空气阻力。这些特性使其 9 毫秒内从 0 加速到 60 英里/时——加速度 315g，达到约 100 英尺高度。对电机驱动跳跃器，这是“用现有材料接近跳跃高度可行极限”。

此设计与超越生物极限的能力，为重新构想跳跃作为高效机器运动形式奠基。跳跃机器人可到达目前仅飞行机器人能到达的地方。离地球更显优势：跳跃机器人可高效穿越月球/行星，无需应对地表障碍，同时触达地形机器人无法到达的特征和视角。

“计算显示装置在月球上能跳 125 米高、向前半公里。”Hawkes 指出月球重力 1/6 且几乎无空气阻力。“那将是工程跳跃器的一大飞跃。”

自动化控制系统