UCLA与密歇根大学联合研发：弹性杆驱动仿生青蛙机器人实现多地形高速移动
发布时间：2026年9月21日
来源机构：加州大学洛杉矶分校（UCLA）、密歇根大学
由美国加州大学洛杉矶分校塞穆利工程学院和密歇根大学的机器人学家组成的研究团队，近期在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了一项新研究。该研究展示了一种利用弹性杆的扭曲与屈曲特性来驱动的小型跳跃机器人。这种机制有望为受限于尺寸、重量和功率的微型机器人提供新的运动解决方案，使其能够在陆地和水中的不平坦地形上高效移动。
基于几何控制的能量释放机制
这项研究由加州大学洛杉矶分校机械与航空航天工程副教授哈利德·贾韦德（Khalid Jawed）及其结构与计算机交互实验室，与密歇根大学机器人学助理教授肖南（Sean Huang）共同领导。
传统的刚性梁或柱主要承受弯曲载荷，而该研究采用的弹性杆结合了弯曲、扭转和压缩三种变形模式。当弹性杆被弯曲且两端旋转时，其内部会积聚弹性能量。研究人员发现，在特定的临界点，杆件会从一种形状突然过渡到另一种形状，这一过程伴随着储存能量的快速释放。部分形状会发生渐进式变形，而另一些则会发生“断裂”（snap-through），瞬间爆发能量。
决定杆件是发生渐进变形还是突然断裂的关键因素是其几何形状而非物理尺寸。这一发现为设计宽度仅为几毫米的微型机器人提供了理论基础。通过电机驱动自然直杆的末端进行移动和旋转，可以形成螺旋形状，从而为小型机器人提供一种相对简单的动力运动机制。
实验验证与设计优化
在实验阶段，研究团队首先建立了弹性杆的计算模型，以预测其在不同弯曲和扭转组合下的反应。随后，他们使用机械臂对物理杆件进行反复变形测试，以验证模拟结果。基于这些模拟和实验数据建立的设计规则，团队制造出了一种类似青蛙的跳跃机器人原型。
该原型机配备了一个旋转发动机，反复弯曲并扭转每根弹性杆，直到达到临界点并进入新的配置状态。此时，储存的弹性能量转化为快速的重复运动。由于能量存储和释放主要由杆件本身完成，仅需一个小功率电机即可触发断裂过程。电机只需缓慢地给杆件上弦，而突然释放的能量则推动机器人前进。
该研究的第一作者、前加州大学洛杉矶分校博士生及现密歇根大学博士后研究员Dezhong Tong表示：“一旦我们能够预测杆件何时发生断裂，就可以利用突然释放的能量将简单的电机运动转化为强大的推力，使机器人向前跳跃。”
- 插图展示了后部弯曲成环状的弹性杆。当杆件扭曲至极限时，突然断裂产生类似青蛙的跳跃动作。（图片来源：密歇根大学 Dezhong Tong/UCLA）
- 机器人在一系列小台阶上跳跃，背景中可见模糊的运动轨迹。（图片来源：Dezhong Tong/密歇根大学/加州大学洛杉矶分校）
性能表现：超越刚性腿机器人
这款仿生青蛙机器人长度仅为11厘米，重98.2克。测试表明，它能够在木头、布料、丙烯酸、皮革、草地和沙子等多种表面上跨越障碍，甚至能爬上一系列台阶。
在与传统硬腿机器人的对比测试中，这款基于弹性杆的原型机在所有六个测试表面上的移动速度均更快。数据显示，该机器人在木头表面的峰值速度达到每秒3.21个身长，在六种地形上的平均速度为每秒2.46个身长；相比之下，硬腿机器人的平均速度仅为每秒0.79个身长。特别是在布料和草地上，刚脚机器人几乎停滞不前，而弹性杆机器人仍能保持较高效率。
此外，该机器人还具备空中发射并反复翻转的能力，在水中的游泳速度约为每秒0.5个身长。研究团队还在更复杂的环境中展示了该执行器的多功能性，例如通过遥控让机器人穿越含有岩石障碍的沙箱，并结合光传感器演示了自动驾驶功能。
密歇根大学助理教授肖南指出：“更广泛的机会在于让机器人的机械结构承担原本需要更大电机或更复杂控制系统才能完成的工作。通过编程弹性结构来储存和快速释放能量，我们可以让小机器人获得强大且可重复的运动能力，而无需持续要求电机提供高功率。”
论文的另一位共同第一作者是密歇根大学博士生Jiaqi Wang。其他作者包括密歇根大学研究生Zexiong Chen、纽约瓦萨尔学院数学与统计学助理教授Andy Brouwer以及英国纽卡斯尔大学机械与机器人学助理教授。
参考文献：
Dezhong Tong et al, Geometric control of unstable path selection in elastic helices enables fast and efficient robotic locomotion, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeh2779
