不過見多了這樣爬來爬去的壁虎，你知道它也會滑翔嗎？

看起來不主修飛行學的壁虎，實際上可是天生的滑翔高手，降落的時候會頭朝下撞到樹干上，雖然看起來有點蠢萌，但穩(wěn)定性還是很好的。

這種強大的運動能力和穩(wěn)定性并不完全取決于壁虎的腳，尾巴起著舉足輕重的作用，可以幫助壁虎在滑翔后穩(wěn)定著陸。

最近，加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員研究了壁虎的這種滑翔機制，并開發(fā)了一款有尾巴的軟體機器人，沒有翅膀也能“飛”起來，像壁虎一樣可以滑翔到垂直表面上并穩(wěn)定著陸。

這項研究發(fā)表在Nature's Communications Biology上，名稱叫做“Tails stabilize landing of gliding geckos crashing head-first intotree trunks”

▍尾巴是第五條腿，幫助壁虎在撞擊后穩(wěn)定下來

發(fā)起這項研究的 Ardian Jusufi 在新加坡熱帶雨林里進行了多項實驗，有尾巴的壁虎被放置在離地面七米的平臺上，當它跳到附近的一棵樹上時，高速攝像機捕捉到墜落并顯示壁虎速度達到 6 m/s，剛好超過 21 km/h，如果換成汽車，以這種速度撞在樹上會很慘不忍睹，但壁虎穩(wěn)穩(wěn)地落在樹干上而沒有掉下來，就好像什么都沒發(fā)生似的往前走。

而對于無尾的壁虎，情況則恰恰相反，自然失去尾巴的壁虎在降落后無法保持抓地力，會從樹干上掉下來。

壁虎用來緩沖沖擊的機制是將其軀干向后彎曲 100 度，在彎曲過程中，前腳會失去抓地力，只有后腿保持連接，尾巴會在迅速形成支撐，減少后腿上的力來使它們保持附著在樹上。

這就是為什么壁虎的尾巴被稱為它們的“第五條腿”，不僅如此，壁虎在垂直墻壁上快速爬行時，不僅如此，尾巴可以充當“第五條腿”，如果遇到很滑的表面，會在不到 30 毫秒的時間內啟動尾巴反射，防止后仰并摔落。

▍受壁虎啟發(fā)，給機器人加持'靈活小尾巴’

如何讓壁虎的靈活小尾巴機制用在機器人身上呢？

為了更精準的模仿這種機制，研究人員建立了壁虎尾巴的平面動力學模型，將后足表示為一個旋轉關節(jié)，具有與直立的樹表面垂直和相切的兩個反作用力分量，而壁虎的軀干表示為圍繞該關節(jié)旋轉的單個剛性均勻體，尾部力可以表示為垂直于直立的樹表面的點載荷。

基于該數(shù)學模型，研究人員開發(fā)了靈活的壁虎機器人，由柔軟的有機硅彈性體通過3D打印制作，機器人和壁虎的體型差不多，總質量為 34.1 g，最大長度為 254 mm。

為了固定在墻上，機器人具有四個柔順的腳，每個腳上都有一個小魔術貼墊，尾巴通過嵌入彈性體的彈簧鋼絲通過微型伺服驅動，并由板載 SAMD21 微處理器控制。當前腳碰到表面時，會控制機器人彎曲尾巴，就像在攀爬壁虎中發(fā)現(xiàn)的反射一樣，信息通過肩部的微控制器進行處理，該信號激活電機以拉動肌腱，從而將尾巴推入墻壁，以減緩頭部后跟后仰的速度。

機器人本身是無法直接跳起來并滑翔的，還需要一個幫助它起跳的實驗裝置。實驗裝置由彈射器、線性導軌和著陸裝置組成，在發(fā)射之前和發(fā)射過程中，機器人被電磁鐵固定在支架上，電磁鐵通過距離軌道末端 1 厘米的觸發(fā)開關停用，釋放機器人，而不會因托架與制動器的碰撞而產(chǎn)生任何擾動。

著陸裝置是一塊具有6 軸力傳感器的木板，上面覆蓋著氈布片，以降低傳感器噪音。力傳感器記錄了當機器人模型以 10 kHz 撞擊墻壁時腳部產(chǎn)生的力，攝像頭以 800 fps 的速度記錄運動。

▍79次著陸實驗，尾巴越長，著陸穩(wěn)定性越好

研究人員對該機器人進行了79次的著陸試驗，當機器人前腳第一次接觸墻壁時，平移動量迅速轉換為角動量，這意味著當機器人的后腳到達著陸面時，機器人繼續(xù)旋轉，如果附著力不足，前腳就會脫離。

然后，機器人將在其幾何形狀允許的范圍內從著陸表面向地面旋轉。在這個階段，如果機器人沒有尾巴，就會從墻上掉下來，而被動尾巴則為后仰提供阻力，并有效地充當旋轉減震器。

（沒有尾巴的機器人會掉下來）

同時，機器人像壁虎擊中樹一樣突然擊中測力臺，將其軀干向后傾斜與表面成直角，研究人員測量了機器人前后腳在撞擊時所承受的力。他們發(fā)現(xiàn)，尾巴越長，將后腳拉離水面的力就越小，該力越小，機器人越容易抓??；然而，如果沒有尾巴，后腳上的力就會變得太大——機器人失去抓地力、彈開并摔倒。

（機器人尾巴越長，越容易穩(wěn)定著陸）

▍來自大自然的解決方案

在機器人滑翔的應用中，大部分研究都會盡量避免快速、短距離滑翔，因為沒有足夠的垂直落差來降低速度，很容易撞擊和損壞機器人。

之前沒有人量化過壁虎神奇的滑翔行為，加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員深入熱帶雨林拍攝并觀察壁虎，從而發(fā)現(xiàn)了壁虎滑翔行為的機制，對改善這一問題具有重要意義，也可以促進更多仿生學的相關研究。

研究人員Robert Siddall表示：“大自然對工程問題有許多意想不到的、優(yōu)雅的解決方案——壁虎可以利用它們的尾巴將頭部碰撞轉變?yōu)槌晒Φ穆涞貏幼?，這很好地說明了這一點。從飛行中著陸很困難，我們希望我們的發(fā)現(xiàn)能夠引領機器人移動的新技術——有時碰撞是有幫助的。”

【參考鏈接】

https://www./articles/s42003-021-02378-6#Sec11