得益于高度灵活的颈部，鸟类可以做很多事情，无论是转过头梳理自己的后背，在飞行过程中“眼观六路”，还是在地面或树上难以触及的角落和缝隙寻找食物。而在所有鸟类中，鸵鸟以其结实灵巧的颈部脱颖而出——这一特性对于机械臂来说同样具有吸引力。

近期，东京大学研究团队对鸵鸟的颈部进行了详细的解剖，发现了一种特定的肌肉-肌腱骨骼结构，并提出了一种新的控制方法，创造出一种新型机械臂——RobOstrich。这一研究成果也发表在了《IEEE Robotics and Automation Letters.》上。

鸵鸟颈部是灵感来源

一直以来，生物学都是柔性机器人研究人员的灵感来源，研究人员通过观察生物学原型，以寻求启发将工作原理运用到机械设计中。目前，已有许多模仿动物驱动的柔性机械臂，这些机械臂往往具有高度自由度和可变形性。例如，猿猴凭借其比人更灵活强壮的手臂，能在丛林间自如穿梭，研究人员通过观察猿猴手臂的骨骼结构和肌肉系统，设计出类似的机械臂，使机械臂效率更高、更轻盈。

动物躯干的椎骨由光滑的软骨连接，由多条发达的肌腱驱动。因此，躯干可以被视为欠驱动驱动系统的柔性机械臂结构，而肌腱驱动机制也因其简单有效的特点而得到广泛应用。在动物躯干中，鸟类的颈部大约有20个颈椎，而哺乳动物只有7个，并且鸟类的颈椎能实现双方向弯曲，表现出极高的自由度。

鸵鸟作为体型最大的鸟类，将鸵鸟的生物特征融入机械设计中，能最大限度地减少动物与机器人之间规模差异的影响。东京大学信息科学与技术研究生院的博士Kazashi Nakano表示：“我们专注于鸵鸟颈部，因为它是一项全新的挑战，有可能创造出前所未有的新事物。”

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。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。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。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。

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。

以鸵鸟腿部为灵感的机器人

这是来自Agility Robotics公司的仿生鸵鸟机器人早，它就是腿足机器人界的宠儿。

它利用被动动力学，并利用“弹簧 - 质量模型”实现和人类相似的动态步态。这样的模型与波士顿动力等其他公司的腿足机器人模型完全不同，Atlas是依赖主动控制和高功率驱动，是以大功耗为代价的。而这种节能的双足系统，与传统的双足机器人相比，在成本，性能和功耗方面展现了阶跃式改进。

Digit在保留了双腿的基础上，将Cassie的臀部改装成了连接躯干的“胯骨”。Digit增添了上身躯干和两支4自由度的手臂，整体上身的设计十分简洁、紧凑与轻量化，增添了双臂的Digit会极大提升其操作能力、保持平衡能力以及摔倒后起身的能力；可以独自完成搬放包裹、爬楼梯、自主避障等远程操作，而且据介绍Digit在整个视频录制的过程中没有一次摔倒。

它的躯干顶端的激光雷达以及躯干中的传感器都有助于Digit在行走中收集数据，使其能够在充满障碍的地方进行导航。目前，它被用于配送服务。据福特公司介绍，整个配送系统拥有一个中央控制中心，当一只机器人配送出现故障，可以呼叫附近的其他小伙伴来帮忙。

仿生机器人将改变我们的生活

随着科技的不断发展，人类对于机器人的需求也越来越大。而未来的机器人将不再是简单的工具，而是拥有自主智能和类似于人类身体结构的仿生机器人。

仿生机器人不仅可以模拟人类行为，还可以通过感知外界环境和学习不断优化自身的行为。这意味着它们可以在各种复杂的环境中执行任务，甚至可以代替人类进行危险或繁重的工作。例如，未来的仿生机器人可以被用于救援行动，可以在灾难现场搜索幸存者，甚至可以进行火灾救援等危险任务。此外，仿生机器人还可以被应用于医疗领域，可以帮助医生进行手术或提供康复治疗。除了以上应用，仿生机器人还可以被用于探索外太空，可以代替人类进行太空任务，从而减少人员伤亡和成本开销。

然而，仿生机器人的发展也面临着一些挑战。首先，仿生机器人的制造成本较高，需要大量投入资金和技术。其次，仿生机器人的智能需要不断地优化和更新，这也需要大量的研发和维护工作。总之，未来科技的发展将改变我们的生活方式，而仿生机器人的出现将成为科技进步的重要里程碑。

文章来源： 奇思观测室，机器人 大讲堂，BFT白芙堂机器人