走路和滑行并没有你想的那么不同

亚伯拉罕经文将滑行视为对邪恶的毒蛇的一种特殊侮辱，但进化可能会通过游动的微生物、蠕动的蠕虫、跳跃的蜘蛛和行走的马的运动来画出一条更连续的线。一项来自密歇根大学发现所有这些类型的运动都可以用一个数学模型很好地表示。

“这不是凭空而来的——这是我们真实的机器人数据，”这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究的第一作者赵丹(Dan Zhao)说，他最近刚从密歇根大学机械工程专业毕业。“即使机器人看起来在滑动，比如它的脚在滑动，它的速度仍然与身体移动的速度成正比。”

与滑翔的鸟、鲨鱼和奔腾的马的动态运动不同——速度至少部分是由动量驱动的——蚂蚁、蜈蚣、蛇和游泳的微生物的每一点速度都是通过改变身体的形状来驱动的。这被称为运动学运动。

对运动学运动的扩展理解可能会改变机器人专家对多肢机器人编程的思考方式，例如，为行走的行星漫游者提供了新的可能性。Shai Revzen密歇根大学电气和计算机工程教授、该研究的资深作者解释说，两条腿和四条腿的机器人很受欢迎，因为更多的腿用目前的工具建模非常复杂。

Revzen说:“我从来没有接受过这一点，因为我的工作是研究蟑螂的运动。”“我可以告诉你很多关于蟑螂的事情。其中之一就是他们不是杰出的数学家。”

如果蟑螂不需要解极其复杂的方程就能行走，那么肯定有一种更简单的方法来编程行走机器人。这项新发现提供了一个切入点。

滑动的脚使机器人的典型运动模型复杂化，假设它可能会为多腿机器人的运动增加一个动量元素。但在密歇根大学团队报告的模型中，它与在沙子中“游泳”的蜥蜴或在水中游泳的微生物没有太大区别。因为微生物很小，水看起来更粘稠，就像一个人试图在蜂蜜中游泳一样。在所有这些情况下，四肢在周围的介质中移动，或在表面上滑动，而不是连接在一个静止的点上。

该团队通过采用一个已知的描述游泳微生物的模型，然后重新配置它以用于他们的多腿机器人，从而发现了这种联系。该模型可靠地反映了他们的数据，这些数据来自多荚体——可以用6到12条腿操作的模块化机器人，以及一个名为BigAnt的六条腿机器人。

该团队还与Glenna克利夫顿他是俄勒冈州波特兰大学的生物学助理教授，他提供了蚂蚁在平面上行走的数据。虽然机器人的腿经常滑动，对于多足机器人来说，滑动的概率高达100%，但蚂蚁的脚与地面的连接要牢固得多，滑动的概率只有4.7%。即便如此，蚂蚁和机器人遵循相同的方程，它们的速度与它们移动腿的速度成正比。事实证明，这种滑动并没有改变运动的运动学性质。

至于这说明了行走是如何进化的，研究小组指出，这种蠕虫被认为是所有身体两侧互为镜像的生物的最后一个共同祖先。他们认为，这种在水中蠕动的蠕虫已经具备了使最早的动物能够在陆地上行走的运动基础。甚至人类也开始学习用运动学来推动自己，随时用手和膝盖与地面的三个接触点爬行。

研究人员认为，控制动量的技能——四条腿或四条腿跑，两条腿走或跑，飞行或滑翔——是在关于如何移动的古老知识之上的阶梯。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。