日本研究人员从弹跳球中获得灵感：打造更出色的跳跃机器人

盖世汽车讯 研究人员从简单的儿童玩具——弹跳球中获得灵感，为设计更敏捷、更可预测的软体机器人找到了关键突破。由柔性材料制成的软体机器人在精细作业方面前景广阔，但其复杂运动一直难以预测和控制，尤其是像跳跃这样的动态动作。

图片来源：《Advanced Robotics Research》

据外媒报道，庆应义塾大学（Keio University）和大阪大学（The University of Osaka）的联合研究团队在期刊《Advanced Robotics Research》发表一项研究论文，详细阐述了半球形薄壳体弹跳的物理原理，这是软体机器人跳跃的基本构件。该团队精确分析了这些半球形薄壳体的弹跳动力学，通过精密实验、数值模拟和理论计算的组合方法，重点研究了薄壳体与地面接触的关键作用。研究人员制作了多种硅橡胶半球壳，并使用桌面规模的实验装置和气压来控制其形变。

实验中的多个传感器捕捉了薄壳体的快速形状变化，为分析提供了详细数据。为了进一步研究这一现象，研究人员采用物质点法（MPM）进行数值模拟，精确重现了弹跳过程中薄壳体的复杂形变。

这项研究的关键突破在于理解了薄壳体与地面之间不断变化的接触面积。当内翻的薄壳体恢复原状时，接触面积从环形过渡为完整圆盘。这个看似简单的转变对于理解推动薄壳体上升运动的能量传递至关重要。通过分析这些接触动力学，研究人员得出了预测弹跳高度的公式，将其分为初始抬升和最终弹跳两个关键阶段。该公式准确反映了实验和模拟结果。

预测弹跳高度的能力是软体机器人技术的重大进步。它省去了耗时费力的反复试错过程，使研究人员能够设计出适合特定任务和环境的机器人。这对于勘探、搜救和环境监测等领域尤为重要，因为在这些场景中，机器人需要在复杂多变的地形中行动。

该研究首席研究员Tomohiko Sano解释道：“这项研究强调了通过分析单个组件来理解软体机器人整体性能的重要性。它展示了向理论驱动设计的转变，使我们能够制造更精密、更高效的软体机器。”

该研究合著者、大阪大学教授Ryuichi Tarumi阐述了该研究更广泛的影响：“这种对基本构件的根本性理解，为我们打开了设计新型软体机器人的大门，无需大量参数调查就能针对特定负载条件进行优化。”

这项研究不仅推动了软体机器人技术的发展，还为弹性能量和运动原理提供了宝贵见解，对生物力学、材料科学甚至航空航天工程等领域都有贡献。它标志着向坚固可靠、性能可预测的真正实用软体机器迈出了重要一步。