受鸵鸟启发，东京大学最新成果：可灵活伸展“脖子”的仿生机械臂

脖子长是种什么体验？这事你或许可以问问鸵鸟。

鸟类的颈部具有惊人的灵活性，这使它们能够完成各种动作，比如轻松地转头梳理背部羽毛，在飞行过程中向多个方向张望，甚至钻进那些地面或树上的隐蔽角落和缝隙。

而在这庞大的鸟类家族中，鸵鸟作为一个独特的存在，吸引了那些致力于研究机械手的科学家。

最近，来自日本东京大学的研发团队以鸵鸟颈部肌肉和肌腱为灵感，创造了一款名为 RobOstrich 的机械臂，使其能够达到结构稳定和灵巧的运动。

该项研究以论文（Design and Control Based on the Anatomy and Behavior of an Ostrich Neck）为题发表在IEEE机器人与自动化快报上。

据研究人员们介绍，这款柔软灵活的机械臂可以轻松弯曲到难以触及的地方，但这也带来了挑战。“从机器人学的角度来看，很难控制这样的结构，”研究人员解释道。“我们专注于鸵鸟脖子，因为它有可能发现新事物。”

柔性机械手结构

研发团队提出了一种基于鸵鸟颈部解剖结构的肌肉-肌腱排列和关节角度限制的设计原则。首先他们解剖了鸵鸟的脖子，以了解帮助操纵重达 3 公斤的如此长而重的身体部位的肌腱、肌肉和骨骼的底层网络。

人类的脖子上有七块椎骨，而鸵鸟的椎骨数量是它的两倍。更重要的是，鸵鸟的每块颈椎都向两个方向弯曲，自由度极高。

鸵鸟的骨骼关节

团队提出了一种新型的机械系统，通过金属丝排列模仿解剖显示的发达的长肌肉。他们在以往对鸟颈运动模式研究的基础上，对肌肉的控制规律进行了假设。根据这一假设，提出了实现鸵鸟颈运动的机构控制律。

RobOstrich 机械手由3D打印的17块椎骨组成，通过轴承连接。钢琴线束被用来模拟鸵鸟椎骨（椎间肌）之间的生物肌肉，橡皮筋被用作机械手底部的韧带以提供张力。

机械手的背侧使用了高强度聚乙烯纤维丝用来模拟鸵鸟脖子的肌腱，整个肌腱驱动机构通过导线将外部电缆独立连接到滑轮上，并由伺服电机拉动。

RobOstrich机械手的导线结构(a)鸵鸟脖子上发达的长肌肉(b)长肌肉在RobOstrich机械手中的实现

同步“运动模式”

就像真正的鸵鸟脖子一样，RobOstrich机械手实现了“滚动模式”，其中相邻关节依次移动，而头部与地面保持水平。

RobOstrich机械手

在这种运动模式，机械手可以通过仅在颈部下方单独增加金属丝的张力来实现，而背面的金属丝长度保持不变。通过这种方式，机械手可以毫不费力地实现复杂的配置。

鸵鸟的典型行为

RobOstrich机械手运动模式

研究人员表示：“灵活的结构很难控制，但优点是可以通过引入基于鸵鸟解剖结构的肌肉排列和关节运动范围来实现灵巧的伸展运动。”

与传统的柔性机械臂相比，这款机械手的特别之处在于积极利用关节角度限制，并在背侧具有长肌肉。

实验结果表明，使用了视觉反馈的RobOstrich伺服系统对环境接触具有鲁棒性的未来可行性。不过，按照目前的配置，RobOstrich 只能在 2D 平面上前进，但研究人员希望未来能够实现 3D 运动。

接下来，团队的目标是开发一种控制器，使这款机械手可以在非结构化环境中执行伸展运动的同时与它轻轻碰撞。

隔壁家的“机械鸵鸟”

其实，RobOstrich 并不是唯一一个登上头条的受鸵鸟启发的机器人。

受到鸵鸟的“狂飙”壮举启发，俄勒冈州立大学的研究人员们曾创造了双足机器人Cassie。这个双足机器人曾完成了「一个人的户外马拉松」，成为世界上第一台跑完5公里的机器人。去年 9 月，Cassie 还用时24.73秒创造了100米吉尼斯世界纪录。