关于受松鼠启发研究的Salto机器人的跳跃策略

Original photos: Justin Yim/UC Berkeley; J. Exp. Biol. 2025

当你看到一只松鼠跳到树枝上时，你可能会认为它们会像鸟类和灵长类动物那样来确保落地平稳：仅仅是抓住树枝然后挂在上面。但事实证明，松鼠毕竟是松鼠，它们实际上并没有适于抓握的手或脚，这意味着它们不能用很大的力量抓住东西。相反，它们利用一种“掌式”抓握法设法落在树枝上，从没有太多抓握动作的意义上来说，这根本算不上真正的抓握。更准确地说，松鼠主要是用手掌着地然后保持平衡，这非常令人钦佩。

这种动态稳定性是松鼠与我们最喜欢的机器人之一Salto共有的特性。Salto也是一个跳跃者，而且它几乎完全没有抓握能力，只有一条肢体（https://spectrum.ieee.org/a-jumping-robot-for-enceladus）。这个机器人很擅长在地面上弹跳，但如果它能够垂直移动，那就是一个全新的移动维度，可能会带来一些潜在的有趣应用，包括环境侦察、搜索与救援以及救灾工作。

在近日发表于Science Robotics的一篇论文中，机器人专家现在已经教会Salto像松鼠那样从一根树枝跳到另一根树枝，使用低扭矩的夹爪并依靠其平衡技能来实现（https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adq1949）。

机器人技术中的松鼠着陆技巧

虽然我们在这里主要讨论机器人（因为这是我们的工作内容），但同样是这些机器人研究人员中的许多人在2月下旬于《实验生物学杂志》（Journal of Experimental Biology）上发表了一整篇论文，论述松鼠是如何以这种方式落在树枝上的（https://journals.biologists.com/jeb/article/doi/10.1242/jeb.249934/367220/Free-ranging-squirrels-perform-stable-above-branch）。你可能会认为研究人员也许会找一些家养松鼠来做这个研究，但实际上他们花了大约一个月的时间，在加州大学伯克利分校的校园里用食物引诱野生松鼠，让它们在装有仪器的栖息处周围蹦跳，同时使用高速摄像机进行了拍摄。

松鼠以实现完美平衡的着陆为目标，从而使得它们进行再次起跳。当然，它们并不总是能做得非常精准，而且它们很擅长从树枝着陆时的偏差（落点比预期稍高或稍低）中恢复过来。这项研究展示了松鼠如何利用它们的肌肉骨骼系统来调整身体姿势，动态地用前肢吸收着陆时的冲击力，并改变身体质量分布，从而将差点失败的情况转变成成功的栖息（着陆）。

正是这类技能是Salto在现实世界中进行有效跳跃所真正需要具备的。当一切都完全按照预期进行时，跳跃和栖息（着陆）很容易，但这种情况几乎从未发生过，而对松鼠的研究表明了在出现问题时能够适应是多么重要。这个小机器人可没有很多自由度来操作——它只有一条腿、一只脚、几个推进器，还有那个旋转部件，信不信由你，这个部件起到尾巴的作用。然而，Salto有时还是能设法让一切正常运作起来。

那些平稳的直立着陆非常令人赞叹，不过我们应该指出，Salto在30次试验中仅有2次达到这种成功水平。实际上它只从栖息处掉落了5次，其余时候它确实设法着陆了，但没有很好地保持平衡，要么越过了树枝，要么没够到树枝。Salto做这件事特别困难是有一些机械方面的原因的——例如，只有一条腿用于跳跃和着陆意味着机器人的腿在跳跃过程中必须旋转。这需要时间，并且这要求Salto需要比松鼠跳得更垂直，因为松鼠用后腿起跳，用前腿着陆。

基于这些测试，研究人员确定了适用于机器人（和松鼠）的平稳着陆的四个关键特征：

1. 力量和精准度很重要！
2. 以更水平的轨迹进行较浅的跳跃更容易着陆。
3. 能够靠近树枝下压有助于保持平衡。
4. 响应式驱动也很重要！

在这些（关键特征）当中，Salto在第一个方面表现很棒，在第二个方面则表现得非常不好，在第三和第四个方面表现也不佳。所以从某种意义上说，机器人专家能够让Salto在树枝间跳跃到这种程度已经很了不起了。不过，还有很多事情要做。松鼠并非唯一的树栖跳跃者，而且可能还能从其他动物身上学到更多东西——Salto最初的灵感来源于婴猴（也被称为丛猴，https://spectrum.ieee.org/uc-berkeley-salto-is-the-most-agile-jumping-robot-ever），尽管在加州大学伯克利分校的校园里更难找到它们。虽然研究人员没有提及，但这项工作很明显的延伸方向是将多次跳跃串联起来，最终把树枝间跳跃与Salto已经能够做到的地面跳跃和墙壁跳跃相结合，真正让那些松鼠为了得到它们的食物而跳起来。