目前，移动机器人的数量激增，涵盖了生态监测、仓库管理和极端环境探索，以及个人消费者的家。这一不断扩大的应用领域要求机器人跨越多种环境，这是传统机器人设计策略尚未有效解决的一个重大挑战。例如，仿生设计模仿动物的形态、推进机制和步态构成了一种方法，但它失去了可用于超越动物性能的工程材料和机制的好处。

在形态发生过程中（生物中形态产生的过程），进化完善的遗传程序为动物提供了身体形状，使它们能够在主要类型的栖息地中有效移动。但是，在其他环境中，这些调整通常会带来性能低效的代价。同样，当工程师设计移动机器人时，他们倾向于在单一操作环境的基础上选择设备的结构和行为。其结果是固定的结构和行为，在一个环境中表现出色，但会影响机器人适应其他环境的能力。

成果简介

鉴于此，耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio等人介绍并评估了“自适应形态发生”，这是一种设计策略，它使机器人能够重新配置其身体形态（身体形状），并使用统一的结构和运动创建系统相应地调整其行为，以便他们能够针对不同的环境进行专门的运动。

图|以海龟为灵感的两栖机器人

不同物种不同的身体特征

与动物不同，机器人可以使用工程材料和机械装置，自发形成有利于在不同环境中移动的身体特征。作为特殊水生和陆生特征的模板，研究人员主要考虑水生和陆栖龟。所有海龟都有相同的身体结构，包括四肢和外壳，但不同的物种从根本上适应不同的栖息地。海龟非常适合游泳，因为它们流线型的身体和鳍状肢，但没有像它们的体重较大的陆生近亲加拉帕戈斯龟（Chelonoidis niger）那样在陆地上直立行走所需的生理机能。

可爬，可游，可走

探究人员通过构建两栖机器龟（amphibious robotic turtle, ART）来评估适应性形态发生的效用。ART能够进行各种水上和陆地步态，四肢可以在流线型的鳍状肢和负重的腿之间变形。这种假肢含有硬度可以变化的聚合物材料，以及充气致动器(将能量转化为运动的装置)，以促进形状的彻底、可靠变化。

研究人员发现，自适应形态发生使ART能够使用多种策略在多种环境中移动：在水下或水面游泳，在各种陆地地形上行走，以及在陆地到水的过渡地带爬行。使用步态和肢体形状的不同组合评估ART的运输成本（系统输入的能量与向前运动产生的能量的比率），揭示了地形摩擦力和含水量等参数如何在不同条件下控制运动。

图|游泳

图|行走

图|爬行

展现机器人壮举

此外，研究人员还证明，就运输成本而言，ART的表现与或在某些情况下优于其他纯水上或陆地机器人。例如，ART比陆上腿机器人（如麻省理工学院的训练biped动物）的表现要好三倍，并且性能与单模式系绳四足动物（如Cheetah Cub和Titan V-III）相似。ART比许多专门的水上机器人（包括介电弹性体致动器机器人水母）表现要好十倍，和比一个单马达驱动的鱼要好两倍。至关重要的是，ART可以在非结构化环境中进行转换，同时保持与单模机器人相当或更好的性能，据研究人员所知，这是迄今为止没有机器人展示过的一项壮举。

图|过渡原则和COT环境化

总结与展望

在非结构化、动态的环境中，如陆地到水域的过渡，研究人员发现，将身体形状和行为视为可调整变量的机器人设计可以提高效率。更广泛的含义是，未来的机器人可以使用自适应形态发生来专门处理不只一个环境，而是多个环境。

ART还没有足够的可靠性来部署为商业机器人。它需要进一步发展，以便能够脱离电源，自动调整浮力，精确控制运动，并使其变形硬件更加坚固。

以ART作为研究在多种环境中移动的机器人的平台，研究人员希望更全面地研究从陆地到水的过渡中的机器人运动。未来研究的其他关键内容包括确定机器人在环境转变期间何时以及如何调整其形状和步态；最好的肢体形状-步态对以最大限度地提高能量效率；以及是否可以利用环境扰动，如波浪或水流，对机器人有利。除了这些基本问题外，还设想ART将应用于监测海岸线的生态系统和支持潜水员。

参考文献：

Baines, R., Patiballa, S.K., Booth, J. et al. Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis. Nature 610, 283–289 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05188-w