North Carolina State University team develops self-resetting soft ring jumping robot that jumps continuously over 1,000 times under constant illumination

移动、起跳、翻转、落地、再次起跳……在恒定红外光照下，一个毫米级的软体机器人正自主完成连续跳跃。近期，美国北卡罗来纳州立大学研究团队在《美国国家科学院院刊》上发表成果，提出一种新型自复位软环跳跃机器人。这个形似泪滴的“小个子”机器人运动员无需人工复位，也无需复杂控制系统，仅靠材料与结构本身的“物理智能”，就能在恒定光照下连续跳跃超过1000次，垂直跳跃高度最高可达自身高度的80倍，水平跳跃距离超过自身长度的3倍。“这项工作的关键，并不是依靠复杂的机械机构或电子控制来实现连续跳跃，而是通过液晶弹性体智能材料与环形结构相结合，把储能、释能、起跳和复位的整个运动循环‘写进’机器人本身。”该研究通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系教授尹杰在接受本报记者采访时表示。

连续跳跃是穿越复杂、非结构化环境的有效运动方式。但对软体机器人来说，实现自主连续跳跃并不容易：它需要可循环的能量储存与释放，需要落地后的自动复位，还要在空中保持稳定姿态，并适应不同地形。以往许多软体跳跃机器人只能完成单次跳跃；若要连续跳跃，往往需要人工复位，或不断切换外部刺激。由于结构复杂，它们在起跳和落地时也容易受到扰动，难以稳定恢复适合下一次起跳的姿态。

对此，研究团队从结构设计入手，给出了一种简洁方案。软环主体由液晶弹性体材料制成，弯曲成环形后，两端通过铝管连接，形成带有V形刚性尾部的闭环结构。液晶弹性体是一种能将光或热刺激转化为形状变化的智能材料。在恒定红外光照下，材料受热收缩；由于受光面与背光面存在温差，软环会自发扭转，像给弹簧“上发条”一样储存弹性能量。

随着扭转不断积累，V形刚性尾部逐渐弯曲翘起。当达到临界状态后，结构突然失稳，储存的弹性能量快速释放，尾部高速拍击地面，将软环弹射到空中。离地后，扭曲的软环会在空中自动解扭、恢复原状，落地后即可再次储能、再次起跳。整个过程不需要机载传感器、电子控制器，也不需要人工反复干预。

“环形结构解决了‘能不能连续跳’的问题，质心调节则帮助解决‘能不能朝目标方向稳定跳’的问题。”尹杰说。所谓质心调节，是指通过在环体头部增加少量配重，使机器人的质量分布前移，从而抑制大幅翻转，提高连续跳跃的方向稳定性。通过调节尾部夹角、配重比例和光照强度，机器人可在爬行、定向跳跃和垂直跳跃之间切换。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所、海洋关键材料全国重点实验室研究员陈涛对本报记者表示，以往软体机器人每次跳跃需人工复位或外部调制，这是因为在恒定外界激励下，实现可循环的“储能—释能—复位”闭环极难，需要同时实现能量回收、空中姿态稳定与落地续能。该工作以扭转储能替代弯折、拉伸储能，以几何约束将复位“编码”进结构本身，为软体连续跳跃提供了一条极简路径。

这种结构并不局限于陆地跳跃。研究团队进一步改造材料和尾部设计，使软环能够漂浮、划水并重返岸边，实现“跳跃—游泳—再次跳跃”的两栖运动。在水面上，尾部由“拍地起跳”转为“拍水推进”；当抵达倾斜岸边时，尾部弹跳产生的推力还能帮助它克服水面张力回到陆地。

在应用前景方面，尹杰认为，这类毫米级软体机器人体积小、重量轻、结构柔顺，适合进入草地、碎石、泥沙、浅水及水陆交界等复杂环境，开展环境感知、目标搜索和局部监测。未来如果实现多机协同，还可能拓展到集群化环境探索和大范围分布式监测。

从实验室走向实际应用仍有距离。下一步，研究团队希望探索利用自然光，使其摆脱对固定人工光源的依赖。尹杰表示，这项工作的意义不在于形成成熟的户外机器人产品，而在于证明一种非常简单的毫米级软体机器人，也能依靠材料与结构本身的物理智能获得持续、自适应的自主运动能力，为未来微型机器人进入真实非结构化环境提供新的设计思路。