Nature 正刊！新型仿生机器人 RAVEN，3D 打印赋能鸟类起飞机制研究

2024年12月，南极熊获悉，来自瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员在Nature上发表了关于仿生机器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果。此机器人模仿鸟类，能够行走、跳跃和飞行，并利用受鸟类启发的起飞机制，实现了高效的空中-地面过渡。3D 打印技术在 RAVEN 的制造过程中发挥了关键作用，赋能了这项突破性研究。



研究背景
多模态运动机器人的开发一直面临挑战，如何结合多种运动模式（如行走、跳跃和飞行）而不增加过多的重量和机械复杂性是一个难题。现有的多模态机器人通常只有一种除飞行外的运动模式，而鸟类能够轻松地在不同运动模式之间切换，这激发了研究人员的灵感。鸟类高效的起飞机制，特别是跳跃起飞，成为了 RAVEN 设计的核心思想。


△受鸟类启发的机器人设计和功能

研究内容
RAVEN 的核心创新在于其受鸟类后肢启发的仿生腿部机构，与复杂的鸟类腿部结构不同，RAVEN 的腿部设计简化到只有臀部、踝部和脚部三个主要部分，并通过控制臀部和踝部关节来实现行走、跳跃和飞行等多种运动模式。


△3D打印起到关键作用

为了实现这一设计，研究人员大量应用了 3D 打印技术。RAVEN 的许多关键部件，包括齿轮箱、腿部连接件、脚部结构以及机身框架等，都是使用3D打印机Ultimaker S5以及高韧性PLA材料制成的。这种制造方式不仅可以快速构建复杂的几何形状，还能够根据需要调整设计参数，从而优化机器人的性能。例如，RAVEN 的脚部设计采用了扁平足结构，并通过 3D 打印技术在脚趾处集成了被动弹性关节，以增强其在陆地运动和地面-空中过渡过程中的稳定性和灵活性。此外，3D 打印还使得研究人员能够快速迭代设计，并在实验中不断改进 RAVEN 的性能。

除了腿部机构，RAVEN 还配备了前置螺旋桨、机翼和尾翼，以实现空中飞行。通过同步控制腿部运动和螺旋桨推力，RAVEN 能够快速地从地面过渡到空中。


△Ultimaker S5打印机是一款准工业级的3D打印机，具有先进的双喷头运动系统、较大的构建体积并且支持上百种耗材

研究结果


△起飞实验


△陆地运动：RAVEN能够以0.23米的速度连续行走(a)，跳过11.5mm的间隙(b)，跳跃过26cm的垂直障碍

实验结果表明，RAVEN 能够以每秒 2.4 米的速度（相当于其身长的 4.8 倍）跳跃起飞，这比单纯依靠螺旋桨起飞的效率更高。与其他起飞方式（如坠落起飞和站立起飞）相比，跳跃起飞在速度和能量效率方面都具有显著优势。此外，RAVEN 还能够进行行走、跳跃和高度跳跃等多种地面运动模式，展现了其多功能性和灵活性。

展望
RAVEN 的成功研制为多模态空中机器人的设计提供了新的思路。未来，研究人员计划进一步探索更轻便的材料和更高效的驱动方式，并利用 3D 打印技术优化 RAVEN 的结构和性能。这项研究有望推动多功能机器人的发展，并将其应用于搜索救援、环境监测等领域。 3D 打印技术的快速迭代和定制化优势将在未来机器人研发中发挥越来越重要的作用，推动多模态机器人技术的进步。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9