蜈蚣以其搖擺不定的步態(tài)而聞名，它們有幾十到幾百條腿，可以不停地穿越任何地形。

得益于蜈蚣的啟發(fā)，美國佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)已成功開發(fā)出一款多足機(jī)器人。這款機(jī)器人可以在崎嶇不平的地表上輕松移動，無需依賴任何額外的傳感器或復(fù)雜的控制技術(shù)。

佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院教授Daniel Goldman解釋說：“當(dāng)你看到一只亂竄的蜈蚣時，你基本上看到的是一個生活在我們習(xí)慣的運(yùn)動世界之外的生物。在我們的世界里，我們的動作主要受到慣性的影響。如果我揮動腿步行，我就會向前移動。然而，對于蜈蚣來說，如果它們停止扭動身體和腿，那么它們將幾乎立刻停止移動。“

由物理學(xué)家、工程師和數(shù)學(xué)家組成的喬治亞理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)對此產(chǎn)生了興趣，他們希望了解多肢體是否有助于在這樣的世界里移動，并嘗試?yán)眠@種運(yùn)動模式的優(yōu)勢。他們不僅開發(fā)了一種新的多足運(yùn)動理論，而且還創(chuàng)造了多足機(jī)器人模型。他們發(fā)現(xiàn)，即使是在崎嶇的地形上，具有冗余腿的機(jī)器人也能夠順利移動，而無需使用任何額外的感應(yīng)器或控制技術(shù)，這與他們的理論預(yù)測完全相符。

這些多足機(jī)器人在復(fù)雜且顛簸的地形上表現(xiàn)出色，他們可能會在農(nóng)業(yè)、太空探索甚至搜索和救援等領(lǐng)域找到用武之地。

在《多足物質(zhì)運(yùn)輸》這篇論文中，研究人員詳細(xì)介紹了他們的研究成果。此外，他們還在《科學(xué)》雜志5月份的刊物上發(fā)表了題為"多足物質(zhì)運(yùn)輸：在嘈雜地貌上的運(yùn)動框架"的研究，以及在3月的《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表了名為"通過滑行進(jìn)行自我推進(jìn)：摩擦性游泳的多足機(jī)車"的研究。

為了理解為什么多足機(jī)器人在運(yùn)動方面如此出色，研究人員受到了數(shù)學(xué)家Claude Shannon的通信理論的啟發(fā)。這項(xiàng)理論揭示了如何可靠地在長距離中傳輸信號，其中一種方法是將信號分解為離散的數(shù)字單元，并使用適當(dāng)?shù)木幋a進(jìn)行重復(fù)，而不是將其作為模擬信號發(fā)送。

“這個理論啟發(fā)了我們，我們開始探索冗余是否可以幫助運(yùn)輸?！蔽锢韺W(xué)博士后研究員Baxi Chong說：“因此，我們啟動了這個項(xiàng)目，試圖看看如果機(jī)器人有更多的腿會發(fā)生什么：四條腿、六條腿、八條腿，甚至16條腿?！?/p>

由Chong領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，包括數(shù)學(xué)學(xué)院的博士后Daniel Irvine和Greg Blekherman教授，開發(fā)了一個理論，認(rèn)為在機(jī)器人上增加腿可以增加其在復(fù)雜表面上的穩(wěn)健移動能力--這是他們提出的空間冗余的概念。這種冗余性使得機(jī)器人可以成功地自主運(yùn)動，無需依賴傳感器來識別環(huán)境。如果一條腿出現(xiàn)問題，其他大量的腿可以保證機(jī)器人的持續(xù)運(yùn)動。因此，這種機(jī)器人可以作為一個可靠的系統(tǒng)，在困難或"嘈雜"的環(huán)境中將自己或物品從A點(diǎn)運(yùn)送到B點(diǎn)。

“對于先進(jìn)的雙足機(jī)器人，通常需要許多傳感器進(jìn)行實(shí)時控制?！盋hong解釋道，“然而，在一些應(yīng)用場景中，比如搜索與救援、火星探索，甚至微型機(jī)器人技術(shù)，需要用有限的傳感器驅(qū)動機(jī)器人。這是因?yàn)閭鞲衅骺赡馨嘿F且易受損，或者環(huán)境變化太快，不允許有足夠的傳感器-控制器反應(yīng)時間?！?/p>

為了驗(yàn)證這一理論，機(jī)器人學(xué)博士生Juntao He進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。他與喬治-W-伍德魯夫機(jī)械工程學(xué)院的碩士畢業(yè)生Daniel Soto一起制造了模擬自然環(huán)境的不規(guī)則地形。接著，他開始增加機(jī)器人的腿數(shù)進(jìn)行測試，最初是6條腿，然后增至16條。就像他們的理論預(yù)測的那樣，隨著腿數(shù)的增加，機(jī)器人在地形上的移動能力也隨之增強(qiáng)，而且這一切都不需要任何傳感器的輔助。最后，他們在真實(shí)的戶外環(huán)境中進(jìn)行了測試，這款機(jī)器人表現(xiàn)出了在各種環(huán)境中行進(jìn)的能力。

這項(xiàng)研究成果已經(jīng)被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。Goldman與他的團(tuán)隊(duì)共同創(chuàng)辦了一家公司，目標(biāo)是利用這些多腿機(jī)器人在除草劑失效的農(nóng)田中除草。

"這些機(jī)器人有點(diǎn)像戶外版的Roomba，適用于復(fù)雜的地面。"Goldman解釋道，"Roomba之所以能高效工作，是因?yàn)樗谄教沟孛嫔鲜褂幂喿印Ｈ欢?，在我們的研究出來之前，我們不能確信在顛簸、巖石、碎石遍布的地形上的運(yùn)動可靠性?，F(xiàn)在我們有了這樣一個初步的框架，可以用來確保我們的機(jī)器人能在一定時間內(nèi)穿越一片農(nóng)田。”

同時，研究人員還在努力優(yōu)化這款機(jī)器人。他們已經(jīng)理解了為什么蜈蚣機(jī)器人框架可以運(yùn)作，但現(xiàn)在他們正在確定最佳的腿數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在沒有感應(yīng)的情況下運(yùn)動，這種方法既符合成本效益，又能保留它的優(yōu)點(diǎn)。

他們的研究已經(jīng)在《科學(xué)》和《美國國家科學(xué)院院刊》兩份期刊上發(fā)表，分別在5月和3月。其中，《科學(xué)》雜志上的論文受到了數(shù)學(xué)家Claude Shannon的通信理論的啟發(fā)，研究者們借此理論深入探討了一個多腿機(jī)器人在運(yùn)動方面為何如此成功。

這項(xiàng)研究的進(jìn)展可能會帶來一場在機(jī)器人科技領(lǐng)域的革命，我們可以期待在未來看到這些多腿機(jī)器人在各種場景中發(fā)揮出更大的作用，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太空探索，到搜索和救援，其潛力是無窮的。