走路的物理原理比我们想象的要简单

多腿动物和机器人行走的物理学比以前想象的要简单。这是机器人专家、物理学家和生物学家团队在9月5日出版的《国家科学院院刊》上描述的发现，在一篇题为“走路就像滑行：一种统一的、数据驱动的运动观点”的论文中。

“这很重要，因为它将允许机器人专家构建更简单的模型来描述机器人在世界上行走和移动的方式，”论文合著者Nick Gravish说，他是加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程系的教员。

研究人员之前曾研究过蚂蚁行走，并想看看他们的发现如何应用于机器人。在这个过程中，他们发现了多腿动物和机器人在粘性液体中行走，跳跃，滑行和游泳之间的新数学关系。

该团队在加州大学圣地亚哥分校研究了阿根廷蚂蚁的几个殖民地，以及在密歇根大学研究了两种不同类型的多腿机器人。

“阿根廷蚂蚁很容易在实验室里研究，”论文合著者格伦娜·克利夫顿(Glenna Clifton)说，她是波特兰大学的一名教员，她在加州大学圣地亚哥分校的Gravish实验室担任博士后学者时进行了大部分的蚂蚁研究。

阿根廷蚂蚁是很好的步行者，可以在各种地形上长途跋涉。这些蚂蚁也很容易适应实验室环境，迅速重建它们的殖民地。然后，研究人员可以通过将食物放在特定位置来激励他们走路。“这些蚂蚁将建立觅食小径并跟随它们，”克利夫顿说。“他们反弹得很快，他们没有怨恨。

为了研究这些不同的动物和机器人，研究人员使用了密歇根大学Shai Revzen研究小组开发的一种算法，该算法将复杂的身体运动转化为形状。“这种算法使我们能够在你所处的姿势和你接下来要移动的地方之间建立一个简单的关系，”Gravish说。

研究人员发现，同样的算法可以应用于蚂蚁和研究中两种不同类型的机器人，尽管它们走路时滑倒的运动量差异很大。阿根廷蚂蚁走路时也不会滑得太多——只占总运动的4.7%。相比之下，六条腿的BigANT机器人的滑倒率为12%至22%，研究中具有六到12条腿的多脚架机器人的滑倒率为40%至100%，有时会爬行。

通过使用这个模型，研究人员可以简单地根据昆虫或机器人的姿势或形状来预测它们接下来要移动到哪里。“这为位置提供了一个通用模型，只要运动受到与环境摩擦的支配，该模型就适用，”研究人员写道。

研究人员使用的数学并不新鲜。但数学被理解为仅适用于在粘性液体中滑行和游泳。该团队表明，同样的方程适用于多腿行走，无论步行者是否滑倒。此外，同样的规则也适用于毫米级的昆虫，如蚂蚁，也适用于米级的机器人。该论文标题的早期版本是“像蠕虫一样行走”。

“这种方法的普遍性可能在机器人设计和运动规划中具有应用，并为腿部运动的演变和控制提供了见解，”研究人员写道。

研究人员推测，这些普遍原则可能对理解主要的进化转变有影响，例如从游泳到步行。鉴于行走，即使有滑倒，也遵循与粘性游泳相同的一般控制原理，早期的陆地动物可能已经具有在陆地上运动所需的神经回路。

研究人员没有研究两条腿的生物，但只要它们移动缓慢，该模型就适用于它们。双脚同时在地上;并且不要摔倒。(想象一下迈克尔·杰克逊在月球上行走。

该团队还有更多的微调工作要做，例如，了解摩擦力在模型中扮演的角色。

“无论哪种方式，走路都比我们通常想象的要简单得多，”格拉维什说。

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