美國加州理工學(xué)院的研究人員建造了一個(gè)雙足機(jī)器人，它將行走和飛行結(jié)合起來，創(chuàng)造了一種新型的運(yùn)動(dòng)方式，使它變得異常靈活，能夠進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

新開發(fā)的LEONARDO（LEgs ONboARD drOne的縮寫，或簡稱LEO）部分是步行機(jī)器人，部分是飛行無人機(jī)，它可以走松繩，跳躍，甚至可以騎滑板。由加州理工學(xué)院自主系統(tǒng)和技術(shù)中心（CAST）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)，LEO是第一個(gè)使用多關(guān)節(jié)腿和基于螺旋槳的推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)對其平衡的精細(xì)控制的機(jī)器人。

一篇關(guān)于LEO機(jī)器人的論文于2021年10月6日在線發(fā)表，并在2021年10月的《科學(xué)機(jī)器人》封面上刊登。

美國加州理工學(xué)院航空航天和控制與動(dòng)力系統(tǒng)的布倫教授Soon-Jo Chung說："我們從大自然中汲取了靈感。想想鳥類能夠拍打和跳躍以導(dǎo)航電話線的方式，"。"當(dāng)鳥類在行走和飛行之間移動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生一種復(fù)雜而有趣的行為。我們想了解并從中學(xué)習(xí)。穿著噴氣式服裝的人類在著陸或起飛時(shí)如何控制他們的腿和腳，以及LEO如何使用分布式螺旋槳的推進(jìn)器和腿部關(guān)節(jié)的同步控制。我們想從動(dòng)力學(xué)和控制的角度研究行走和飛行的界面。"

雙足機(jī)器人能夠通過使用人類使用的那種運(yùn)動(dòng)來解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界的地形，如跳躍或跑步，甚至爬樓梯，但它們受到粗糙地形的阻礙。飛行機(jī)器人通過簡單地避開地面，可以輕松地瀏覽艱難的地形，但它們面臨著自己的一系列限制：飛行時(shí)的高能耗和有限的有效載荷能力。美國加州理工學(xué)院的博士后研究員、《科學(xué)機(jī)器人》論文的共同第一作者Kyunam Kim說："具有多模式運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人能夠通過在其可用的運(yùn)動(dòng)方式之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)那袚Q，從而比傳統(tǒng)的機(jī)器人更有效地在挑戰(zhàn)性的環(huán)境中移動(dòng)。特別是，LEO旨在彌合空中運(yùn)動(dòng)和雙足運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)不同領(lǐng)域之間的差距，這兩個(gè)領(lǐng)域在現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)中通常并不交織在一起。"

通過使用一種介于行走和飛行之間的混合運(yùn)動(dòng)，研究人員在運(yùn)動(dòng)方面得到了兩個(gè)世界的最佳選擇。LEO的輕質(zhì)腿通過支撐大部分重量來減輕其推進(jìn)器的壓力，但由于推進(jìn)器是與腿部關(guān)節(jié)同步控制的，LEO具有不可思議的平衡能力。

科學(xué)機(jī)器人論文的共同主要作者、Chung小組的前成員Patrick Spieler說："根據(jù)它需要穿越的障礙物類型，LEO可以選擇使用步行或飛行，或者根據(jù)需要混合使用這兩種方式。此外，LEO還能夠進(jìn)行不尋常的運(yùn)動(dòng)操作，即使在人類身上也需要掌握平衡，比如在松繩上行走和滑板。"他目前在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作，該實(shí)驗(yàn)室由加州理工學(xué)院為NASA管理。

LEO站在2.5英尺高的地方，配備了兩條腿，有三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，還有四個(gè)螺旋槳推進(jìn)器，以一定角度安裝在機(jī)器人的肩膀上。當(dāng)一個(gè)人行走時(shí)，他們會(huì)調(diào)整腿部的位置和方向，使其質(zhì)量中心向前移動(dòng)，同時(shí)保持身體的平衡。LEO的行走方式也是如此：螺旋槳確保機(jī)器人在行走時(shí)保持直立，而腿部推桿則通過使用同步行走和飛行控制器，改變腿部的位置，使機(jī)器人的質(zhì)量中心向前移動(dòng)。在飛行中，該機(jī)器人單獨(dú)使用其螺旋槳，像無人機(jī)一樣飛行。

加州理工學(xué)院的研究生和《科學(xué)機(jī)器人》論文的共同作者Elena-Sorina Lupu（碩士21歲）說："由于它的螺旋槳，你可以用很大的力氣去戳或催促LEO，而不會(huì)真的把機(jī)器人撞倒。"LEO項(xiàng)目是在2019年夏天開始的，《科學(xué)機(jī)器人》論文的作者和三名加州理工學(xué)院的本科生通過該學(xué)院的暑期本科生研究獎(jiǎng)學(xué)金（SURF）項(xiàng)目參與了該項(xiàng)目。

接下來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過創(chuàng)造一種更堅(jiān)硬的腿部設(shè)計(jì)來提高LEO的性能，這種設(shè)計(jì)能夠支撐機(jī)器人更多的重量，并增加螺旋槳的推力。此外，他們希望使LEO更加自主，以便機(jī)器人能夠了解在不平坦的地形上行走時(shí)，有多少重量是由腿部支撐的，有多少需要由螺旋槳支撐。

研究人員還計(jì)劃為LEO配備一種新開發(fā)的無人機(jī)著陸控制算法，該算法利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在對環(huán)境有了更好的了解之后，LEO可以根據(jù)什么是最安全的，什么是耗能最少的，自行決定它應(yīng)該使用的行走、飛行或混合運(yùn)動(dòng)的最佳組合，從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。

Lupu說："現(xiàn)在，LEO在行走過程中使用螺旋槳來平衡，這意味著它使用能量的效率相當(dāng)?shù)?。我們正?jì)劃改進(jìn)腿部設(shè)計(jì)，使LEO在行走和平衡時(shí)盡量少借助螺旋槳。"她將在整個(gè)博士課程中繼續(xù)研究LEO。

在現(xiàn)實(shí)世界中，為LEO設(shè)計(jì)的技術(shù)可以促進(jìn)由空中機(jī)器人和其他類型飛行器的可控腿部關(guān)節(jié)組成的自適應(yīng)起落架系統(tǒng)的發(fā)展。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想，未來的火星旋翼飛行器可以配備腿部起落架，以便這些空中機(jī)器人在斜坡或不平坦的地形上降落時(shí)可以保持身體平衡，從而減少在挑戰(zhàn)性的降落條件下的失敗風(fēng)險(xiǎn)。