Nature 正刊！新型仿生機器人 RAVEN，3D 打印賦能鳥類起飛機制研究

2024年12月，南極熊獲悉，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL) 的研究人員在Nature上發(fā)表了關于仿生機器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果。此機器人模仿鳥類，能夠行走、跳躍和飛行，并利用受鳥類啟發(fā)的起飛機制，實現(xiàn)了高效的空中-地面過渡。3D 打印技術在 RAVEN 的制造過程中發(fā)揮了關鍵作用，賦能了這項突破性研究。



研究背景
多模態(tài)運動機器人的開發(fā)一直面臨挑戰(zhàn)，如何結合多種運動模式（如行走、跳躍和飛行）而不增加過多的重量和機械復雜性是一個難題。現(xiàn)有的多模態(tài)機器人通常只有一種除飛行外的運動模式，而鳥類能夠輕松地在不同運動模式之間切換，這激發(fā)了研究人員的靈感。鳥類高效的起飛機制，特別是跳躍起飛，成為了 RAVEN 設計的核心思想。


△受鳥類啟發(fā)的機器人設計和功能

研究內(nèi)容
RAVEN 的核心創(chuàng)新在于其受鳥類后肢啟發(fā)的仿生腿部機構，與復雜的鳥類腿部結構不同，RAVEN 的腿部設計簡化到只有臀部、踝部和腳部三個主要部分，并通過控制臀部和踝部關節(jié)來實現(xiàn)行走、跳躍和飛行等多種運動模式。


△3D打印起到關鍵作用

為了實現(xiàn)這一設計，研究人員大量應用了 3D 打印技術。RAVEN 的許多關鍵部件，包括齒輪箱、腿部連接件、腳部結構以及機身框架等，都是使用3D打印機Ultimaker S5以及高韌性PLA材料制成的。這種制造方式不僅可以快速構建復雜的幾何形狀，還能夠根據(jù)需要調(diào)整設計參數(shù)，從而優(yōu)化機器人的性能。例如，RAVEN 的腳部設計采用了扁平足結構，并通過 3D 打印技術在腳趾處集成了被動彈性關節(jié)，以增強其在陸地運動和地面-空中過渡過程中的穩(wěn)定性和靈活性。此外，3D 打印還使得研究人員能夠快速迭代設計，并在實驗中不斷改進 RAVEN 的性能。

除了腿部機構，RAVEN 還配備了前置螺旋槳、機翼和尾翼，以實現(xiàn)空中飛行。通過同步控制腿部運動和螺旋槳推力，RAVEN 能夠快速地從地面過渡到空中。


△Ultimaker S5打印機是一款準工業(yè)級的3D打印機，具有先進的雙噴頭運動系統(tǒng)、較大的構建體積并且支持上百種耗材

研究結果


△起飛實驗


△陸地運動：RAVEN能夠以0.23米的速度連續(xù)行走(a)，跳過11.5mm的間隙(b)，跳躍過26cm的垂直障礙

實驗結果表明，RAVEN 能夠以每秒 2.4 米的速度（相當于其身長的 4.8 倍）跳躍起飛，這比單純依靠螺旋槳起飛的效率更高。與其他起飛方式（如墜落起飛和站立起飛）相比，跳躍起飛在速度和能量效率方面都具有顯著優(yōu)勢。此外，RAVEN 還能夠進行行走、跳躍和高度跳躍等多種地面運動模式，展現(xiàn)了其多功能性和靈活性。

展望
RAVEN 的成功研制為多模態(tài)空中機器人的設計提供了新的思路。未來，研究人員計劃進一步探索更輕便的材料和更高效的驅(qū)動方式，并利用 3D 打印技術優(yōu)化 RAVEN 的結構和性能。這項研究有望推動多功能機器人的發(fā)展，并將其應用于搜索救援、環(huán)境監(jiān)測等領域。 3D 打印技術的快速迭代和定制化優(yōu)勢將在未來機器人研發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用，推動多模態(tài)機器人技術的進步。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9