Automated design of soft-rigid hybrid robots for dynamic locomotion
本文提出了一种自动化的基于梯度的设计方法，该方法将可微模拟器与软硬混合优化相结合，通过将可变形软体与增强承载能力并实现有效步态生成的刚性桁架骨架耦合，生成能够动态行走的类肌肉骨骼机器人。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，试图制造一个能在杂乱不平的地面上行走的机器人。如果你完全用坚硬的金属和齿轮（像传统机器人那样）来制造它，它虽然强壮且精准，但却笨拙。它可能会绊倒在小石子上，或者在撞到人类时造成伤害。另一方面，如果你完全用柔软的果冻（一种“软体”机器人）来制造它，它擅长挤过狭窄的空间且触摸安全，但它过于摇晃，无法支撑自身重量或产生真正的动力。
大自然在数百万年前就解决了这个问题。想想你自己的身体：你有柔软的皮肤和肌肉，但它们由坚硬的骨骼支撑。骨骼赋予你力量和杠杆作用，而肌肉和皮肤则赋予你灵活性。
本文介绍了一种设计机器人的新方法，它模仿这种“软硬混合”的理念，但有一个转折：由计算机为我们进行设计。
“数字建筑师”
与其让人类工程师绘制机器人草图并猜测何种形状效果最佳，作者们创建了一个智能计算机程序。该程序就像一个数字建筑师，试图寻找以下要素的完美组合：
- 软体： 柔软、果冻般的外壳。
- 骨骼： 隐藏的坚硬内部框架（像骨头一样）。
- 肌肉信号： 何时收缩、何时放松的时机。
计算机并非仅仅猜测；它在几秒钟内运行数千次模拟，同时调整果冻的形状、骨骼的布局以及运动的节奏，以观察哪种组合能让机器人走得最快。
“魔法模拟器”
为了做到这一点，团队构建了一个特殊的“视频游戏引擎”（模拟器），它与标准模拟器截然不同。
- 软体部分： 他们使用了一种称为MPM（物质点法）的方法。想象一桶水，其中每一滴水都知道如何挤压和流动。这模拟了柔软、橡胶般的身体。
- 硬体部分： 他们使用了一种称为XPBD（扩展基于位置动力学）的方法。想象一个由刚性杆和关节组成的网络。这模拟了内部骨骼。
神奇之处在于，计算机能够精确计算刚性杆如何推拉柔软的水，以及水如何抵抗杆的作用，同时计算出改进设计所需的数学公式。这就像拥有一个能同时理解果冻的流动性和钢铁的刚性的模拟器。
发现：机器人如何行走
当计算机完成工作后，它生成了一种外观略显奇特但效果极佳的机器人设计。
- 骨骼的作用： 计算机将“骨头”放置在特定的桁架图案中（像桥梁中的三角形支撑）。这些骨头充当脊梁，将电机的力传递给软体。如果没有这些骨头，机器人只会原地扭动而无法前进。
- 软体的作用： 柔软的橡胶皮肤包裹在骨头周围。当骨头拉动时，软体以特定方式变形，从而推压地面，产生行走步态。
团队使用 3D 打印的塑料骨头和硅胶橡胶皮肤在现实中制造了这个机器人。他们安装了螺线管电机（它们充当简单的肌肉，通电时会产生拉力）。
- 结果： 机器人成功地在地板上行走。
- 证明： 当他们测试没有内部骨骼的机器人版本时，它几乎无法移动，只是瘫软在地。这证明了计算机设计的骨骼是将软体团块转变为行走机器的关键。
“甜蜜点”频率
研究人员还发现，机器人的行走速度很大程度上取决于他们脉冲电机的速度。
- 他们发现了一个“甜蜜点”频率（大约每秒 10–12 次）。在这个速度下，机器人的身体和骨骼以某种方式振动，帮助它迈出大而高效的步伐。
- 如果速度太慢（例如每秒 6 次），机器人几乎会停止移动。
- 计算机的设计自然地找到了这种完美的节奏，表明机器人的形状和电机的时机完美契合，就像舞者找到节拍一样。
总结
本文表明，通过将柔软灵活的身体与计算机设计的坚硬骨骼相结合，我们可以创造出既强壮又适应性强的机器人。关键创新在于一种工具，它能自动为机器人计算出完美的“骨骼结构”和“肌肉节奏”，而不是依赖人类的试错法。其结果是一个行走有效的机器人，证明了混合软硬材料是未来机器的制胜策略。
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