仿生是指模仿生物体的一些特性，从而利用生物体这些天然特性进行应用，我们一般认为越接近生物体其性能则越优，但是，这是必然的吗？

几个世纪的追梦

跳跃是一个特别有吸引力的研究课题。跳跃可以在不同的物种和大小范围内找到，但以惊人的相似方式进行，并且有明确的、可量化的指标来比较终极能力：跳跃高度和距离。

几个世纪以来，看似简单的跳跃动作一直吸引着人们，科学家们也一直在探索生物跳跃高度的极限。曾经，亚里士多德思考了人类如何通过平衡木来增加跳跃高度，而文艺复兴时期的模型则近似认为所有动物，无论大小，都可以跳跃大致相同的一米高度。近几十年来，工程师们一直在设计跳跃机器，这些机器经常模仿跳跃动物或从跳跃动物中汲取灵感。然而，过去的研究仍然缺少一个通用的建模框架，用于捕捉和量化跳跃动物和工程跳跃体的内在差异。大多数工程工作关注于特定的设计，根据以前的生物模型得出结论，或者目前的模型只描述单冲程直线电机。

2003年，Nature的一篇研究表明沫蝉可以跳到70厘米的高度，是其体长的 115 倍。为实现这个目的，它在腿上使用弹性结构或弹簧来驱动高达每秒 4 米的起飞速度。

成果简介

受此类昆虫的启发，加州大学圣塔芭芭拉分校Elliot W. Hawkes等人开发了一个通用框架，用于探索生物和工程系统如何产生和使用能量来实现最高跳跃。该机器人跳跃的高度达到惊人的 33 米，这是沫蝉的50倍，起飞速度更是超过每秒 28 米。成果发表在Nature上。

图|专为跳高而设计的机器人

模型分析

研究人员将跳跃定义为由跳跃体施加到地面的力产生的运动，同时保持恒定的质量。他们研究了跳跃的两个方面：比能量产生限制（每单位质量的跳跃体单次跳跃可以产生的最大能量）和比能量利用率（将这种比能量转换为跳跃高度的效率）。与之前的生物学研究一样，该研究将以下讨论集中在比能产生限制上。

为了结果分析，研究人员主要考虑跳跃体的以下组件：电机、可选弹簧、连杆和有效载荷。模型的结果表明，对于生物跳跃体，比能产生永远不会超过运动极限，但对于工程跳跃体，上限可能要大得多。对于工程跳跃体，功倍增消除了电机功的限制器。在小范围内，弹簧驱动的变速器比直接驱动变速器产生更高的跳跃，其上限由弹簧能量限制器和连杆质量设定。从理论上讲，在非常大的规模下，直接驱动变速器是优越的，其上限由电机功率限制器和连杆质量设定。

图|建模框架的图形概述

三个关键见解

能量学的差异使研究人员发现生物和工程跳跃体应该有不同的设计，以最大限度地提高比能量的产生，从而限制跳跃高度。他们对这些设计差异提出了三个关键见解。

首先，第一个见解是：工程电机不需要具有与生物肌肉相同的工作限制。对于生物跳跃体，低于弹簧驱动的跳跃体产生更多比能和高于直接驱动跳跃体产生更多比能的交叉尺度约为 1m（0.6s 加速时间）。相比之下，对于工程跳跃体，这种交叉尺度几乎大了两个数量级，大约为 100m（3s 加速时间）。

其次，第二个见解是：工程跳跃体应使用比生物跳跃体大得多的弹簧质量与电机质量的比率（称为“弹簧-电机质量比”）。

第三个见解是：对于弹簧驱动的传动装置，生物跳跃体应最大化电机的比功，但工程跳跃体应最大化弹簧加连杆的组合比能（弹簧连杆比能）。这是因为每个系统都应该使主要限制其比能量的系统最大化。

图|生物与工程、直接驱动与弹簧驱动跳跃体的比能上限趋势

构建能源利用损失最小的跳跃体

研究人员通过遵循这三个见解，推动了带有电磁电机的工程设备的特定能量生产极限，并因此提高了跳跃高度。通过利用混合弹簧连杆和电机设计，研究人员创建了一个在能源利用的六个确定阶段中能源利用损失最小的跳跃体。例如，他们将“脚”（在加速过程中静止的跳跃体组件）的质量最小化，以减少能量传递损失，并创造了一种形状变化的形态，在起飞后变成流线型，以最大限度地减少空气阻力。研究人员测量到了 1,075Jkg⁻¹的无载荷比能，并观察到该 30g重的跳跃体在9ms(>3,000ms⁻²)内从 0 加速到超过 28ms⁻¹并达到 32.9米的高度。

图|从见解到超过 30m 的工程跳跃体

小结

该研究成功地利用生物学作为他们设计的灵感，同时通过巧妙的工程规避了生命系统的限制。通过建模，研究表明生物跳跃体的比能产生不能超过电机的比功，但通过做功倍增，工程跳跃体可以克服这个限制，从而有可能跳得更高。因此，生物跳跃体和工程跳跃体有不同的设计来最大化特定的跳跃能量——以及跳跃高度的限制。因此，这项工作也提醒人们，受生物启发的工程系统有时也不需要包含生物学的限制。

仿生，或超越仿生！

参考文献：

1.Hawkes, E.W., Xiao, C., Peloquin, RA. et al. Engineered jumpers overcomebiological limits via work multiplication. Nature 604, 657–661 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04606-3

2.Nature 604, 627-628 (2022)

https://doi.org/10.1038/d41586-022-01077-4