壁虎的碰撞着陆能力可以应用于机器人领域

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。这种能力使它们能够在失去抓握后纠正自己，并且还可以帮助它们在池塘表面上滑行。

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，并且已经在壁虎类机器人中得到应用。

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和前加州大学伯克利分校博士生。他们两个人发现了一个重要且令人惊讶的新发现：壁虎也使用它们的尾巴来帮助恢复，当它们头部撞击树时。

头部碰撞在壁虎中相当常见，朱苏菲使用高速摄像机记录了这一过程。

“从雨林树冠上观察壁虎真是令人大开眼界。在起飞前，他们会上下移动头部，左右移动头部，以便在跳跃前估计距离，”朱苏菲说。

视频显示，壁虎（在这种情况下是普通的亚洲扁尾房壁虎）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。

“与其说它们停下来，不如说有些壁虎在撞击时仍然在加速，”朱苏菲说。“它们头部撞击，头部向后翻转，形成一个极端的角度，与垂直方向相反——它们看起来像一个书架，远离树干——仅凭后腿和尾巴就能消耗掉撞击能量。由于这种下落制动反射发生得如此之快，只有慢动作视频才能揭示其背后的机制。”

根据科学家们的说法，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，这些距离更像平衡滑翔，它们的着陆方式也不同，但例如，如果它们试图逃跑，它们会选择这种行为，部分是因为体型很重要，”富尔说。“当你这么小的时候，你有大型物体没有的选择。因此，这是一种由身体介导的解决方案，你不会因为体型更大而拥有它。”

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

研究人员是第一个记录、数学建模和在软体机器人中复制这种行为的人。

“进化不是关于最优性和完美，而是关于足够。足够好的解决方案真正为你提供了广泛的能力，使你在具有挑战性的环境中更加强壮，”富尔说。“进化更像是一个修补匠，他从来不知道自己会产生什么，并且使用他所拥有的所有东西来制作可用的东西。”

“直到最近，尾巴没有得到像腿或翅膀那样多的关注，但人们现在意识到我们应该把这些动物看作五足动物，某种意义上说是五足的，”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，并且他们正在学习如何为每个功能引入新部件。

“当我们进化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，你不能优化机器人以实现一切。你必须使用某些东西来实现其他行为，”他说。

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

构建机器人

研究人员在使用Carbon M2（一种专门为软体结构设计的最先进3D打印机）创建其部件后，构建了一个带尾巴的机器人。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，它会向下按压。

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次数为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次数为55%。

研究人员还发现，尾巴长度为头部和身体长度一半的机器人几乎和长尾巴机器人一样成功。他们还发现，短尾巴机器人需要两倍的脚部力量才能保持在树上。

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体机器人。

“进化不是关于最优性和完美，而是关于足够。足够好的解决方案真正为你提供了广泛的能力，使你在具有挑战性的环境中更加强壮，”富尔说。“进化更像是一个修补匠，他从来不知道自己会产生什么，并且使用他所拥有的所有东西来制作可用的东西。”

“小型树栖动物没有明显的飞行形态适应性，但却表现出令人惊讶的中空机动能力。软体机器人的物理模型可以帮助解释这种机械介导的着陆解决方案，”朱苏菲说。