12月7日，国际知名学术期刊《Science Robotics》发表来自德国慕尼黑工业大学和中山大学的研究团队的研究文章——「Lateral Flexion of a Compliant Spine Improves Motor Performance in a Bio-Inspired Mouse Robot」。

该研究团队开发了一款高度仿生的老鼠机器人。研究的核心创新在于引入了可变形的柔性脊柱，大幅提升了机器人的运动灵活性和效率。这一重大突破不仅推动了具有脊柱的足式机器人设计领域的发展，同时也为运动控制的相关研究提供了全新的视角和可能性。

为什么研究仿生老鼠机器人？

老鼠，作为哺乳类动物中最常见的一员，长久以来一直是神经生物学领域的重要研究对象。而老鼠机器人则可以较好地结合神经生物学和机器人学的交叉研究。

从科学研究角度，老鼠机器人可以辅助神经生物学研究，也可以应用神经生物学知识来实现更好的运动控制。从实际应用角度，老鼠机器人又因为其小巧结构外形，灵活的运动能力，可以应用于多种如灾后救援，检修维护等多种场景。下图展示了老鼠机器人多样的研究方向，包括：运动控制、环境感知、路径规划，以及基于肌肉和骨骼模型的建模方法。

这项研究揭示了灵活的脊柱对于提升足式机器人的运动敏捷度至关重要。目前，尽管已有机器人能够通过“四肢”灵活移动，但在执行某些动作时仍存在一定程度的僵硬，这限制了它们的运动效率。因此，升级脊柱的设计，对于提升机器人的灵巧程度，尤其是对于体积受限、动力不足的小型和欠驱动四足机器人，显得尤为有益。

研究人员设计了一种符合神经机器人标准的老鼠机器人（Neurorobotic Mouse, NeRmo）。NeRmo 是一种仿生机器老鼠，模拟了真实老鼠的形态和肌腱驱动系统。它拥有能侧向弯曲的柔韧脊柱，这一设计显著提升了机器人的行走速度和机动性。这些新发现不仅为脊柱如何作用于「四脚兽」的运动系统提供了更全面的认知，更为未来的机器人开发提供了前瞻性的设计理念。

具体体现为，这种灵活的脊柱能够帮助 NeRmo 从不稳定的配置中调整姿势，增强其静态稳定性。同时，它还能有效地延伸步幅，进而提高行走速度，也让 NeRmo 在需要小转弯半径和快速行进时，表现出更优异的机动性。

老鼠机器人的特色之处

NeRmo是一款微型四足机器人，模仿了常见啮齿动物的肌骨骼解剖结构、外貌和运动模式。其机械设计和驱动系统的概述如图所示。NeRmo因以下几个独特之处而引人注目：1）NeRmo拥有完全柔性的脊柱，可以在横向和矢状平面上实现平滑的弯曲；2）NeRmo具备柔性的膝盖和肘部关节，由肌腱驱动；3）NeRmo的电机-肌腱驱动系统模仿了四足动物的肌肉骨骼特征。

NeRmo的物理特性包括全长405毫米，肩胛骨到骨盆的长度为117毫米，高度91毫米，宽度90毫米，重量仅225克，采用耐用的PA12聚酰胺材料。在运动能力方面，NeRmo具备13个自由度，可实现多种灵活的运动，包括旋转的髋关节/肩部和弯曲的膝盖/肘部，以及横向和矢状弯曲的脊柱，水平旋转和俯仰的头部，以及横向弯曲的尾巴。

电子设备方面，NeRmo搭载了一块7.4伏特、1000毫安时的锂聚合物电池，配备肌腱和伺服电机（HD DSM44）作为执行器，控制器采用树莓派Zero和STM32，同时还具备摄像头和关节编码器传感器，实现高级感知和运动控制。

NeRmo的脊柱采用一体化3D打印加工方式，能进行横向和纵向的弯曲活动，这两种弯曲变形由四个交替排列的关节支持，模仿了生物脊柱中的球窝关节。这种设计形成了一个由八个关节组成的高度灵活且结构稳固的脊柱，能够承受较大的重量。这一特性使NeRmo在众多拥有简单旋转关节脊柱的四足机器人中脱颖而出。

NeRmo的脊柱是通过肌腱-滑轮系统驱动的。两条横向弯曲的肌腱穿过每个椎骨的侧孔，一端连接到横向弯曲伺服，另一端则由M1螺丝固定。因此，类似于肌肉收缩的效果，伺服的旋转可以拉动肌腱，从而使脊柱向左或向右横向弯曲。

实验结果揭示了什么？

柔性脊柱弯曲提升机器人静态稳定性

测试静态平衡的实验展现了基于脊柱平衡补偿机制（Spine balance compensation, SBC）的独特作用。这一机制通过侧向脊柱的弯曲来调整重心（Center of Mass, CoM），保证了机器人在最初不稳定的状态下仍能保持静态稳定。

实验过程如下：首先，NeRmo 被设置在一个中性的四足静态接触状态，其腿部直接位于肩部或臀部的正下方。接着，机器人的每条腿依次被抬起，转换至三足静态接触状态。在此状态下，抬起的腿在肩部或臀部关节的全运动范围内摆动，并同时测试启用和未启用 SBC 的效果。

结果显示，在未启用 SBC 的情况下，由于重心超出了支撑基底，机器人无法维持三足站立的平衡。然而，当启用 SBC 后，NeRmo 能够有效保持平衡。为了进一步量化分析，研究人员监测了 NeRmo 在真实环境中的俯仰和滚转角度。即使在能够维持平衡的情况下，启用 SBC 的 NeRmo 在抬起前腿时的前倾角度减少了 50%，滚转角减少了 50%。在进行后腿平衡测试时，SBC 使俯仰偏差减少了 73%，滚转偏差减少了 80%，有效避免了机器人的倾覆。

柔性脊柱弯曲提升机器人运动速度

研究人员对 NeRmo 的直线行走能力进行了测试，实验结果显示脊柱侧向弯曲对行走速度有显著提升，有脊柱辅助的步态在速度上超过了传统步态。

论文详细展示了机器人不同步态频率下的行走速度，数据均从真实环境中获得。实验测试了六种不同的步态配置，涵盖了带脊柱和不带脊柱的理想小跑（分别标记为 “trt,s” 和 “trt,ns”）、带脊柱和不带脊柱的步行小跑（分别标记为 “walk,s” 和 “walk,ns”）以及带脊柱和不带脊柱的侧向行走步态（分别标记为 “lat,s” 和 “lat,ns”）。

实验结果表明，在不同频率不同步态的大量实验中，NeRmo 的速度增幅达 8% 到 17% 不等。研究团队还观察到，脊柱辅助的步态比常规步态步幅更大。与标准步态的直线轨迹相比，脊柱辅助步态中摆动腿的轨迹展现出独特的曲线形态，这主要是由于脊柱的弯曲所引起的。同时，大量的模拟测试结果也与真实世界中的情况相符。

柔性脊柱弯曲提升机器人转弯能力

这项实验展现的是引入脊柱后对机器人转弯能力的加强。实验考察了三种转弯策略：基于腿部的转弯、基于脊柱的转弯以及混合式转弯。

在基于腿部的转弯策略中，机器人通过调整每侧步幅的长度来控制运动，这种做法会产生非对称的接触力分布，在重心周围生成偏航力矩。基于脊柱的转弯策略则利用脊柱的侧向弯曲来引导机器人，这种方法顺应了一些生物的自然行为。而混合式转弯策略则融合了基于腿部和基于脊柱的两种方法。

实验结果表明，在所有测试的步态频率和类型中，基于脊柱的侧向弯曲转弯无论在哪种转弯轨迹下都显示出最快的速度，比基于腿部的转弯快约 20% 到 30%。混合式转弯策略的速度也优于纯腿部驱动的转弯，仅略逊于纯脊柱驱动的转弯，但却有效地保证了小半径转弯的能力。在实际应用中，混合式转弯策略实现了最佳的最小转弯半径，比基于腿部的转弯小约 30%，并且比纯脊柱驱动的转弯小 60% 到 85%。这些发现凸显了能弯曲的脊柱对于在机器人运动的重要性，也为未来的机器人设计提供了有价值的参考。

文章来源： 机器人大讲堂，机器之心Pro