猎豹蓬松的尾巴如何为高速敏捷的机器人提供灵感-技术圈

大数据文摘出品

来源：IEEE

编译：Hippo

不到十年前，加州大学伯克利分校的研究人员为一辆小型机器人汽车配备了一个末端带有重物的驱动金属杆，并用它来展示蜥蜴在空中跳跃时如何用尾巴来稳定自己。这项研究启发了一大堆其他有尾移动机器人，其中包括开普敦大学的研究人员Amir Patel的几款漂亮的机器人。

我们看到的机器人尾巴通常是驱动惯性尾巴：一个移动的质量向一个方向移动会导致它所连接的机器人向另一个方向移动。这就是蜥蜴尾巴的运作方式，这是一种非常好的模式。

事实上，人们普遍认为，很多使用尾巴来提高敏捷性的动物都利用了这种惯性原理，包括大名鼎鼎的猎豹。但至少就猎豹而言，实际上没有人费心去验证，直到Patel从一群猎豹尸体取下尾巴，并表明事实上猎豹的尾巴几乎完全是绒毛。那么，如果不是尾巴的重量帮助猎豹追捕猎物，那么一定是空气动力学。

互联网上充满了关于猎豹尾巴的“智慧”，其中大部分将其描述成了“有重量”的尾巴并用来“平衡”猎豹身体的其他部位。这很直观，但却并不正确，正Amir Patel发现的那样：

猎豹尾巴的空气动力学意义非常重要，这实际上是我偶然发现的！在我的博士学位即将完成时，我被邀请到南非国家动物园（National Zoological Gardens）进行猎豹的尸体试验。试验的原意是是测量和评估猎豹尾巴的惯性，因为没有这样的数据存在。根据我在野生动物纪录片中看到的和与南非的相关园区巡逻员交谈的结果，通常认为猎豹的尾巴很重，并用作平衡配重。

然而，在试验过程中猎豹尾巴上的绒毛和皮肤一旦被取下，所剩的组织出奇的瘦！经测量（这只以及另外6只猎豹的尾巴）仅占体重的2%左右，远低于我的机器人的尾巴。与此同时毛皮的体积占了尾巴的很大一部分。所以，我认为一定有什么原因：也许毛皮使尾巴在空气动力学角度上看起来像一个更大的物体，同时又没有惯性尾巴的重量损失。

几年前，Patel与卡内基梅隆大学（CMU）的Aaron Johnson实验室合作开始研究尾部空气动力学，这项工作的成果论文最近发表在IEEE Transactions on Robotics上，探讨轻量化尾部的空气动力学阻力如何更加有效的帮助机器人执行动态行为。

Minitaur在上面的视频中采用的特定尾部设计看起来并不特别像猎豹的尾巴，它由碳纤维和聚乙烯薄膜制成而不是绒毛，并且仅在尾部末端装有空气动力学部件，而不是延伸到屁股。这是因为野生猎豹很难长出碳纤维或聚乙烯材料的尾巴，而且研究人员对仿生学的设计进行了优化以最大限度地减少质量。

第一作者Joseph Norby在一封电子邮件中告诉我们：“我们用完整的毛茸茸的尾巴来模仿猎豹的皮毛，但发现半圆柱形状迄今为止阻力最大。将拖动元件减少到尾端是效率和刚度的平衡。我们本可以让拖动元件覆盖尾巴的整个长度，但实际上靠近尾尖的部分产生了大部分阻力。缩短拖动元件的长度有助于保持尾巴的形状。”

气动拖尾可能很有吸引力，因为与惯性拖尾不同，它们产生的扭矩量不取决于它们的重量，而是取决于机器人移动的速度：机器人移动得越快，气动拖尾可以产生的扭矩越大。我们在动物身上也看到了这一点，蓬松的尾巴常见于快速移动的动物和跳跃者，如跳鼠和飞鼠。这提供了一些关于什么样的机器人可以从这样的尾巴中受益最大的建议，尽管正如Norby指出的那样，这些尾巴的最大限制是尾巴安全移动所需的很大工作空间。

虽然这篇论文的重点是量化空气动力阻力对机器人尾巴的影响，但似乎一些真正有创意的设计潜力巨大。例如，我们想了解具有可调节浮度的尾巴，还向Norby询问了一些这项研究的可能扩展。

我认为可折叠或可伸缩的尾部将在不需要尾部时通过减少工作空间来大大提高实用性。基本上，我们研究的所有动物的尾巴都有某种柔韧性，我认为这对提高实用性和耐用性至关重要。

同样，我们还考虑采用可以快速修改阻力系数的主动或被动设计，无论是通过收起和展开尾部，还是简单地像我们的半圆柱形一样旋转不对称的尾巴。这也许可以构成一种类似于划独木舟的新控制形式：在一个方向上移动时增加阻力，而在另一方向上减小阻力可以产生更多的净控制权。对于不能与环境相互作用的惯性尾巴，这是完全不可能的。

尽管轻质气动拖尾这个创意是从动物身上首先得到的，但在利用这些优势或是基于尾部特点进行设计时，我们没有理由将自己限制在类似动物的形状因素上。如果不用担心质量损失，为什么不把尾巴放在所有难以保持平衡的机器人上，比如几乎所有的双足机器人，对吧？当然，有很多理由不这样做，但仍然令人兴奋的是，气动拖尾的设计为所有需要平衡帮助的机器人提供了一个平台，只需要一点点动态运动的协助就可以实现。