還記得那個和漫威角色同名的“毒液”材料嗎？
當時，南京航空航天大學的研究人員受壁虎啟發，用“毒液”充當機器人的“壁虎的腳”，來粘附和適應各種表面，以實現高效運動。
顯然，研究到這裡還沒結束。這次，他們開始研究起了壁虎的脊柱，還開發了一款能像壁虎一樣穩定爬坡的機器人—— Slalom ！
機器人“Slalom”可以在傾斜和柔軟的表面快速爬行，其重量僅為2.45公斤，看起來和壁虎還真挺像！爬坡時扭來扭去的樣子憨憨的還有點可愛，就是少了一條像壁虎一樣靈活的小尾巴~
▍模仿壁虎脊柱：從記錄真實壁虎運動資料開始
機器人的名字“Slalom”起得很有趣，中文譯名是“迴轉彎”，與壁虎的彎曲脊柱對應。
壁虎的脊柱有什麼特別呢？
壁虎在任何方向都能靈活穩定地移動，這不僅僅取決於它的尾巴和粘性十足的腳，脊柱也起了關鍵性的作用：壁虎具有8-11 個活動關節的分段脊柱，可以靈活彎曲，在爬行、轉彎、跳躍、保持身體穩定性等運動過程中可以與四肢運動相協調。
同時，壁虎在跑起來的時候，脊柱會呈現出橫向起伏模式的駐波和行波，這也增強了運動穩定性。
為了更準確的研究這種運動，南京航空航天大學的研究人員使用高速相機記錄了真實壁虎的運動，將壁虎身體表示為笛卡爾座標中的十個標記點，這些點被轉換為連續曲線作為身體的假設中線（身體插值），然後使用MATLAB中的多項式曲線擬合函式（polyfit）進行轉換。
經過多個關節設計的迭代評估，並協調了誤差與複雜性，研究人員最終選擇將機器人“Slalom”的脊柱設計為3個關節，這些關節可以在運動中圍繞垂直軸旋轉± 60度，彎曲體運動時，機器人可以週期性的旋轉，這能夠再現壁虎的脊柱運動。
同時，壁虎機器人的四肢設計也很重要，機器人“Slalom”的每個四肢都具有4個自由度，包括肢體與肩部/髖關節連線處的兩個、肘部/膝蓋，以及手腕/腳踝。壁虎柔順的腳趾在機器人中被簡化為由兩層組成的簡單結構，頂部由鋁製成，連線一個球關節，可為腳提供三個被動自由度，讓腳在接觸平面時可以被動的自我調整。
▍基於CPG的神經控制
機器人“Slalom”使用了一種基於 CPG模型的神經控制。
我們先來說說CPG是什麼，全稱為Central pattern generators，中樞模式發生器，這是一種在無脊椎動物和脊椎動物中都存在的神經迴路，它可以在不接收節律輸入的情況下產生神經活動的節律模式，“中樞(cenntral)”一詞表明產生節律不需要感覺反饋。
CPG模型具有分散式控制、處理冗餘的能力、快速控制迴圈以及允許透過簡單的控制訊號來調節運動，當這些性質轉化為到數學模型時，CPG就可以很好的運用於機器人的運動控制。
在機器人“Slalom”的CPG應用中，整個神經控制系統具有三個組成部分：
1.神經調節功能的 CPG 機制，用於產生不同的週期訊號和分流抑制，用於改變身體關節運動；
2. CPG 後處理，用於塑造 CPG 訊號以獲得平滑的關節運動；
3. 運動神經元，用於向迴轉的所有關節傳送最終的運動位置命令。
▍機器人攀爬實驗
研究人員進行了機器人“Slalom”的攀爬實驗，測試它在不同的固體和軟傾斜表面上爬行的能量效率。在運動過程中，基於 CPG 的控制，機器人可以產生小跑步態，身體擺動具有與四肢很好協調的C形駐波。
為了顯示 “壁虎脊柱”形態的有效性，研究人員還對比了脊柱可彎曲、和脊柱不可彎曲的機器人的爬坡能力。
（脊柱可彎曲機器人順利爬上25度斜坡）
（脊柱不可彎曲機器人明顯爬不動了）
“脊柱可彎曲”機器人分別攀爬傾斜達 30 度的硬表面和 25 度的柔軟表面，而在相同的傾斜表面上，“脊柱不可彎曲”機器人開始在實心坡上滑動並卡在軟坡上。
這篇文章發表在IEEE Xplore上，論文標題為：Lateral Undulation of the Bendable Body of a Gecko-Inspired Robot for Energy-Efficient InclinedSurface Climbing
從“毒液”到“壁虎脊柱”，未來，研究人員將繼續對壁虎這個可愛的小動物進行研究，同時，也會在控制系統上下功夫。
在論文的結尾，研究人員表示他們將使用具有快速學習機制的延遲線和運動前神經網路擴充套件基於 CPG 的單個控制，以自動獲取多種步態和各種身體模式，這種擴充套件將使機器人有效地實現不同的運動模式，例如步行、游泳和攀爬；也會嘗試自適應肌肉模型來設計類似於真正的壁虎般靈活的身體的彈性特性。
論文連結：10.1109/LRA.2021.3101519
