壁虎的冲击着陆能力可应用于机器人领域

加州大学伯克利分校和德国斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员已经展示了壁虎如何使用尾巴在空中操纵自身。这项能力使它们能够在失去抓握后纠正自身的坠落，并且还可以帮助它们在池塘表面滑行。

这些发现将在本周的 Nature 期刊 Communications Biology上发表。

这些技术在机器人领域非常有用，并且已经在类似壁虎的机器人中得到应用。

关于壁虎的惊人发现

罗伯特·富尔（Robert Full）是加州大学伯克利分校的整合生物学教授，阿德里亚·朱苏菲（Adria Jusufi）是马克斯·普朗克智能系统研究学校的教师，也是加州大学伯克利分校的前博士生。他们两个人做出了一个重要且令人惊讶的新发现，即壁虎也使用它们的尾巴来帮助恢复，当它们头部冲向一棵树时。

头部冲击是壁虎中相当常见的现象，朱苏菲使用高速摄像机记录了这一现象。

“从雨林树冠的高度观察壁虎是一件令人着迷的事情。在起飞之前，他们会上下移动头部，左右移动头部，以便在跳跃之前估计行进距离，就像他们在观察着陆目标一样，”朱苏菲说。

视频显示，壁虎（在这种情况下是普通的亚洲扁尾屋壁虎）在与树头部碰撞时，用爪子和脚垫抓住树干。这有助于其头部和肩部弹回，壁虎有杠杆作用可以将尾巴按在树干上，防止其向后翻滚。

“远远谈不上停滞不前，一些壁虎在撞击时仍然在加速，”朱苏菲说。“它们头部冲向树干，头部和脚跟以极端的角度从垂直方向上弹回——它们看起来像一个书架从树上伸出来，只有后腿和尾巴固定着，当它们消耗掉撞击能量时。由于这种摔倒的反射发生得如此之快，只有慢动作视频才能揭示出潜在的机制。”

根据科学家的说法，其他小型、轻量级的跳跃动物，如蜥蜴，也可能使用这些技术。

“它们可能有更长的滑翔距离，这些滑翔距离更像平衡滑翔，它们的着陆方式也不同，但是，例如，如果它们试图逃跑，它们会选择这种行为，部分原因是尺寸很重要，”富尔说。“当你这么小的时候，你有大物体所没有的选择。所以，这是一种身体介导的解决方案，你不能因为更大而拥有它。”

类似于壁虎尾巴的结构可以用来帮助稳定像无人机这样的飞行机器人，帮助它们在垂直表面着陆。

研究人员是第一个记录、数学建模和在软机器人中复制这种行为的人。

“趋同进化是指那些结构已经被用于许多行为的结构，无论最初进化的目的是什么，这里有一个你不会期望的例子，”富尔说。“你可以看到这种令人难以置信的能力如何使这些趋同进化成为可能。”

“直到最近，尾巴没有得到像腿或翅膀那样多的关注，但是人们现在意识到我们应该把这些动物看作五条腿的动物——五足动物，”朱苏菲说。

根据富尔的说法，机器人工程师正在向机器人添加越来越多的功能，他们正在学习如何为每个功能引入新的部件。

“当我们发展我们的机器人和物理系统时，工程师们都想做更多的事情。而且你知道吗？在某个时候，你不能优化一个机器人来做所有事情，”他说。“你必须使用某些东西来实现其他行为，以便获得这些行为。”

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

构建机器人

研究人员在使用Carbon M2创建其部件后构建了一个带尾巴的机器人，Carbon M2是一种专门为软结构设计的最先进的3D打印机。机器人的脚上装有魔术贴，以便在接触时粘附，尾巴上有一个机制，当前腿击中表面并滑动时会使其向下按压。

尾巴机器人在进行硬着陆时也表现出类似的成功。在自然界中，带有尾巴的壁虎能够在垂直表面上成功着陆的比例为87%，而没有尾巴的机器人在试验中仅有15%的成功率，而新的带尾巴的机器人在试验中成功着陆的比例为55%。

研究人员还发现，尾巴长度是头部和身体长度总和的一半的机器人几乎和较长的机器人（其长度等于头部和身体的长度）一样成功。他们还发现，短尾巴的机器人需要双倍的脚部力量来保持附着在树上。

该团队将继续研究壁虎，并寻找新的原理来应用于机器人，特别是垂直表面的软机器人。

“进化不是关于最优性和完美，而是关于足够。刚刚好的解决方案真正发挥了作用，使你在具有挑战性的环境中更具韧性，”富尔说。“进化看起来更像是一个修补匠，从来不知道他们会制造出什么东西，并使用他们所拥有的所有东西来制造出可行的东西。”

“没有明显的飞行形态适应的小型树栖动物正在被发现具有惊人的空中操纵能力。软机器人物理模型可以帮助揭示这种机械介导的解决方案的控制，以便于着陆，”朱苏菲说。