Science子刊重磅！無腿機器人能跳能游還能負重，顛覆兩棲設計

機器人界又出狠角色了！

這次不是模仿壁虎的吸盤腳，也不是模仿獵豹的彈簧腿，而是一個完全沒有腿的機器人，卻能在沙地上狂奔、在水里靈活轉向，甚至扛起40倍于自重的重物。

近日，國際權威期刊《Science Advances》發表了一項令人眼前一亮的成果：來自哈工大研究團隊成功研制出純慣性驅動的兩棲機器人Leglessbot（無腿機器人）。

它沒有傳統意義上的運動部件，沒有外露的齒輪、連桿、螺旋槳，卻實現了跳躍、奔跑、游泳的全能表現。

劃重點：全密封剛性外殼+單一驅動器+零外露運動部件。

這意味著什么？意味著厘米級機器人在惡劣環境下的生存能力，可能要被重新重新定義了。

01.

從提線木偶到一機多用：慣性驅動還能這么玩

先來說個常識：絕大多數機器人想動起來，得有腿、輪子、履帶或者螺旋槳。這些東西在水里怕漏電，在沙里怕卡死，在小尺度下更難密封防水。

Leglessbot的思路徹底另類。

它把運動部件全部藏進身體里，靠內部磁鐵的快速撞擊和振動，讓整個外殼動起來。這就是“慣性驅動”：你坐在車里猛地往前一撞，車就會往后移一點，Leglessbot就是靠這個原理在沙地上撞出前進路線。

但你肯定會問：光靠內部震動，怎么能既跳又游還轉向？

這就是研究團隊最狠的操作。他們設計了一款可變輸出音圈電機（VCM）。這臺小馬達通過改變電流換向時機，可以切換出三種截然不同的工作模式：

跳躍模式：磁鐵走滿整個行程，猛撞外殼頂部，把整個機器人彈離地面，最高能跳17毫米（約0.5倍自身高度）。

全行程振動模式：磁鐵來回猛沖，機器人在地面上“蹦跶”前進，在干沙上能達到1.4倍體長每秒的速度，比絕大多數同尺寸自給式機器人還快。

小行程振動模式：磁鐵只振動幾毫米但頻率拉滿（最高90Hz），機器人開始高頻振動，這時候如果把它放進水里，配合被動鰭片，就能游泳。

一個驅動器，三種完全不同的運動模式，從跳躍到奔跑再到游泳無縫切換，這就是所謂的“慣性驅動多模態運動”。

02.

沒有腿卻能在沙地狂奔：原理靠“蹦”

常規機器人最怕什么？沙子！

輪子會陷進去，腿會拔不出來，電機進灰直接報廢。但Leglessbot反而在沙地上跑得最歡，速度達到78毫米/秒，比平地上的41.6毫米/秒還快。

為啥？因為它在全行程振動模式下，每次磁鐵撞擊外殼都會讓整個機器人微微離地（約5毫米），像一只不斷小跳的袋鼠。剛落地還沒來得及陷進沙子，下一跳又起來了，完美規避了顆粒介質的“流變學陷阱”。

更厲害的是，這種“彈跳式前進”讓機器人擁有了變態的負載能力。實驗數據顯示，它拖著960克的配重（約40倍體重）照樣能往前走，甚至被5公斤的重物壓?。?08倍體重），照樣能掙扎脫身。放在野外環境下，這種抗壓能力堪稱生存利器。

研究團隊還給Leglessbot裝了一套不倒翁式的重心設計。連續跳躍測試中，它始終保持直立，不會翻車，可以在沙堆、石子堆里一路蹦出來，脫困能力拉滿。

03.

沒螺旋槳怎么游泳：被動鰭片發力

如果說陸地運動靠“撞”，那水里怎么動？

Leglessbot外殼兩側裝了六片軟質被動傾斜鰭片。沒有電機驅動，沒有關節控制，純靠機器人本體的高頻振動帶動鰭片撥水。

關鍵是左右鰭片的長度還不一樣：左邊長20毫米，右邊長17.5毫米。

當VCM進入小行程振動模式（30-60Hz），機器人開始在水里“哆嗦”，鰭片隨之被動擺動。流體力學計算和高速粒子圖像測速（PIV）顯示，每個振動周期內，鰭片向后撥水產生的推力略大于向前回擺的阻力，從而實現整體向前運動。

那怎么轉向？

靠共振頻率錯位！長鰭和短鰭的固有頻率不同，對振動頻率的響應也不同。實驗發現：30Hz時左側長鰭推力占優，機器人右轉；40Hz時右側短鰭占優，機器人左轉；35Hz時兩側推力相等，直行。最小轉彎半徑只有5.6毫米，靈活得像個水上芭蕾選手。

這就實現了所謂的“慣性驅動多方向推進”，即一個驅動器，靠調頻率就能控制平面內的任意方向游泳。

04.

流體力學硬核拆解：為啥鰭片能產生凈推力？

研究團隊用計算流體力學把整個過程扒了個底朝天。

關鍵發現：在每個振動周期里，鰭片向后撥水時，由于傾斜安裝角度和水的阻力，鰭片會張開，兜住更多水，產生較大推力；向前回擺時，鰭片收縮，阻力小得多。一伸一縮之間，推力差就累積成了凈前進動量。

更細的機理是：在向后撥水的行程階段，鰭片根部產生高壓區（最高1580帕），形成強力渦流，動量貢獻達到+5.14毫?！っ?；而在靜止間歇的靜態階段，鰭片只是彈性回擺，產生的正負推力基本互相抵消，凈動量貢獻僅0.15毫?！っ搿Ｒ簿褪钦f，幾乎全部的推進力都來自行程階段。

而PIV拍攝的流場顯示，鰭片周圍形成的“偽渦旋”其實是環形流動的集合體，和魚尾產生的卡門渦街完全兩碼事——證明這是一種全新的流體推進原理。

05.

未來可期：從全密封到深海潛行

Leglessbot最大的意義可能不在于它能跑多快、跳多高，而在于它證明了一條新路：全密封剛性外殼+慣性驅動，可以讓厘米級機器人同時具備陸地機動性和水下航行能力。

傳統的動態密封在厘米尺度幾乎無解，O型圈一裝摩擦力就大到電機帶不動。Leglessbot把運動部件全藏進殼里，外殼一體成型，防水等級直接拉滿。理論上，這套方案可以輕松擴展到深潛應用，畢竟它連動態密封都不需要。

研究團隊還在殼上裝了微型攝像頭，演示了“搜索救援”場景：被石頭砸中后自己蹦出來，發現一個樂高“幸存者”，然后推開90克的障礙物清理出救援通道。雖然速度和效率還有優化空間，但思路已經非常清晰。

當然，目前的原型機還有短板：電池續航在跳躍模式下約28分鐘，小行程振動只有11分鐘，比螺旋槳船低不少......原因是慣性驅動的能量效率天然較低。團隊下一步計劃研究能效優化和自適應結構設計，讓機器人在真實野外環境更持久。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2222