当前，许多场景下的工作已经可以由移动机器人代替人工完成。然而，面对复杂环境，特别是那些包含高于机器人自身高度的障碍物，如楼梯、碎石、沟渠等非结构化路面时，传统单一运动模式的机器人往往显得力不从心。为了应对这一挑战，机器人行业正在寻求更加灵活且功能多样化的解决方案。

在这个背景下，跳跃机器人的概念崭露头角。相比传统的移动机器人，它们具有更为强大的越障能力，可以轻易越过自身尺寸数倍甚至数十倍的障碍物。最近，河海大学、江苏省特种机器人重点实验室王延杰教授团队，在国际知名期刊Advanced Intelligent Systems上发表了一篇题为“Tumro: A Tunable Multimodal Wheeled Jumping Robot Based on the Bionic Mechanism of Jumping Beetles”的研究论文。

这项研究受到跳甲（一种昆虫）的跳跃机理启发，成功开发出一种由小电机驱动的小型跳跃机器人。这款机器人不仅具备快速的轮式运动能力，还拥有出色的跳跃性能，使其在未来复杂地形探测以及地外低重力行星探测等领域展现出巨大的潜力。目前，该研究成果已受到Advanced Science News的专题报道，引起了业界的广泛关注。

▍跳甲虫的高效跳跃机制与等效模型探究

自然界孕育了众多具备卓越跳跃能力和高敏捷性的生物，特别是昆虫类，如蝗虫、跳蚤和吹泡虫等，它们的跳跃高度常常能达到身长的数倍至数百倍之巨。

为了深入探究这些昆虫跳跃的奥秘，科学家们对跳甲的跳跃过程进行了详尽的生物学分析，并据此建立了一个等效模型。这个等效模型不仅揭示了跳甲高速跳跃的普遍机理，还为我们理解生物肌肉的机械效能提供了新视角。

在这个等效机械模型中，跳甲的弹性外壳及其肌腱蛋白等结构被巧妙地等效为一个储能弹簧。通过模拟和分析，科学家们将跳甲的跳跃过程拆解为四个阶段：首先是蓄能阶段，接着是释能阶段，然后是加速阶段，最后是起跳阶段。这四个阶段共同构成了跳甲跳跃的完整过程，为我们理解其跳跃机制提供了宝贵的参考。

跳甲虫依靠腿部肌肉拉伸其腿部的弹性组织来储存跳跃时的能量，这种机制使它们的跳跃极为有效。

▍灵活跳跃与爬行，展现多模式运动新高度

这款名为Tumro的原型机器人长320毫米，大致呈线轴形状。它有一个长而富有弹性的骨架，两端各有一个独立驱动的、直径80毫米的车轮。Tumro可以通过两种不同的方式移动：爬行和跳跃。爬行时，机器人的低矮外形让它能在很小的空间下穿行；它也能滚过较小的障碍物。

当遇到无法跨越的障碍物时，机器人可以被引导改变姿势，转向一端，同时其弹性骨架从线轴形状转变为类似中国灯笼的形状。这种形状储存了实现其第二种移动方式所需的能量。

当储存的能量被释放时，机器人可以跳跃高达3米。机器人落地后，可以迅速恢复到原来的形状并继续爬行。

这款机器人跳跃时的峰值功率高达233.97W。同时，该机器人也展示了出色的适应性，能够轻松穿越最小高度为70毫米的狭小空间。其最小转向半径仅为160毫米。

在课题组对机器人跳跃性能的测试中，机器人在近乎垂直的起跳角度下，成功实现了垂直高度3米的跳跃。而在倾斜起跳的情况下，机器人同样表现出色，能够跳跃至1.4米的水平距离和2.1米的垂直高度。

在轮式爬行状态下，无论是前行还是原地转向，机器人平均功耗为0.43W。而在单边旋转运动状态下，平均功耗为0.18W。

这种能力使它在单一运动机器人中脱颖而出。单一运动的跳跃机器人只有一种跳跃功能。即使在平坦的路面上，它也只能通过跳跃来移动，这将造成巨大的能量浪费，降低机器人的实用性，多模式跳跃可以有效地将轮式运动与跳跃结合起来，这大大提高了其实用性和耐久性。

这款原型机器人不是自动的，它需要操作员告诉它何时跳跃，但由于跳跃的角度是固定的，操作员确切知道它将在何处着陆。

在实际操作中，研究人员通过车轮运动来调整机器人的跳跃方向，他们计划在后续改进中使机器人更加智能，以便它具备自主克服障碍的能力。

▍高效的储能，更高的通用性

Tumro当然不是世界上第一款跳跃机器人，它是对现有设计的一种改进，这些设计的储能机制是添加到机器人上的，而不是构建在结构本身中的。

通过将机器人骨架与储能机制相结合，研究人员可以有效地提高机器人在跳跃过程中的能量密度。

伊利诺伊州厄巴纳市格雷英格工程学院的工程学教授塔希尔·赛夫（Taher Saif）表示，这项工作似乎是机器人学领域的一项重要进步。

“他们取得了一些成果，其中之一是相对于机身尺寸的高跳跃和稳定性，”他说。赛夫表示，对于设计团队来说，让高跳跃机器人具备直立着陆的能力是一个具有挑战性的目标，因为机器人可能不会总是以完全相同的方式倒下。

在论文中，作者指出，一款既能爬行又能跳跃的机器人，在地形崎岖且难以预测的环境中工作时更具实用性。他们写道：“这种爬行-跳跃机器人展示了多样化的应用潜力，因为它具备通过不同运动模式在各种路况中导航的能力。”

研究人员还表示，跳跃机器人是空间探索的利器，特别是在低重力的星球上。对于未来系外行星的探索，低重力环境将极大地增强机器人的跳跃效果。

赛夫教授对这项技术未来在可扩展性方面的表现表示了浓厚的兴趣。他很好奇这项技术能否从小规模扩展到大规模，又会有哪些影响。同时，他还指出，未来的机器人可能会融入更多类型的生物运动机制，以提高其敏捷性。他认为，机器人领域的研究者们正在尝试模仿越来越多的生物系统行为，这篇论文正是朝着这个方向迈出的一步。”