Nature 正刊！新型仿生機器人RAVEN，3D打印賦能類鳥飛行器研究
2024年12月，來自瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的研究人員在Nature上發表了關于仿生機器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果。此機器人模仿鳥類，能夠行走、跳躍和飛行，并利用受鳥類啟發的起飛機制，實現了高效的空中-地面過渡。3D 打印技術在 RAVEN 的制造過程中發揮了關鍵作用，賦能了這項突破性研究。
研究背景
多模態運動機器人的開發一直面臨挑戰，如何結合多種運動模式（如行走、跳躍和飛行）而不增加過多的重量和機械復雜性是一個難題。現有的多模態機器人通常只有一種除飛行外的運動模式，而鳥類能夠輕松地在不同運動模式之間切換，這激發了研究人員的靈感。鳥類高效的起飛機制，特別是跳躍起飛，成為了 RAVEN 設計的核心思想。
△受鳥類啟發的機器人設計和功能
研究內容
RAVEN 的核心創新在于其受鳥類后肢啟發的仿生腿部機構，與復雜的鳥類腿部結構不同，RAVEN 的腿部設計簡化到只有臀部、踝部和腳部三個主要部分，并通過控制臀部和踝部關節來實現行走、跳躍和飛行等多種運動模式。
△3D打印起到關鍵作用
為了實現這一設計，研究人員大量應用了 3D 打印技術。RAVEN 的許多關鍵部件，包括齒輪箱、腿部連接件、腳部結構以及機身框架等，都是使用3D打印機Ultimaker S5以及高韌性PLA材料制成的。這種制造方式不僅可以快速構建復雜的幾何形狀，還能夠根據需要調整設計參數，從而優化機器人的性能。例如，RAVEN 的腳部設計采用了扁平足結構，并通過 3D 打印技術在腳趾處集成了被動彈性關節，以增強其在陸地運動和地面-空中過渡過程中的穩定性和靈活性。此外，3D 打印還使得研究人員能夠快速迭代設計，并在實驗中不斷改進 RAVEN 的性能。
除了腿部機構，RAVEN 還配備了前置螺旋槳、機翼和尾翼，以實現空中飛行。通過同步控制腿部運動和螺旋槳推力，RAVEN 能夠快速地從地面過渡到空中。
△Ultimaker S5打印機是一款準工業級的3D打印機，具有先進的雙噴頭運動系統、較大的構建體積并且支持上百種耗材
研究結果
△起飛實驗
△陸地運動：RAVEN能夠以0.23米的速度連續行走(a)，跳過11.5mm的間隙(b)，跳躍過26cm的垂直障礙
實驗結果表明，RAVEN 能夠以每秒 2.4 米的速度（相當于其身長的 4.8 倍）跳躍起飛，這比單純依靠螺旋槳起飛的效率更高。與其他起飛方式（如墜落起飛和站立起飛）相比，跳躍起飛在速度和能量效率方面都具有顯著優勢。此外，RAVEN 還能夠進行行走、跳躍和高度跳躍等多種地面運動模式，展現了其多功能性和靈活性。
展望
RAVEN 的成功研制為多模態空中機器人的設計提供了新的思路。未來，研究人員計劃進一步探索更輕便的材料和更高效的驅動方式，并利用 3D 打印技術優化 RAVEN 的結構和性能。這項研究有望推動多功能機器人的發展，并將其應用于搜索救援、環境監測等領域。 3D 打印技術的快速迭代和定制化優勢將在未來機器人研發中發揮越來越重要的作用，推動多模態機器人技術的進步。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9
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