英文题目：A springtail-inspired multimodal walking-jumping microrobot

中文题目：受弹尾虫启发的多模态行走-跳跃微型机器人

作者：Francisco Ramirez Serrano; Nak-seung Patrick Hyun; Emma Steinhardt; Pierre-Louis Lechère; Robert J. Wood（通讯）

作者单位：Harvard Microrobotics Laboratory, Harvard University, Cambridge, MA, USA

期刊：Science Robotics（IF 25.7 中科院一区，JCR一区）

发表时间：26 February 2025

链接：https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp7854

引文格式：Ramirez Serrano F, Hyun N-s P, Steinhardt E, et al. A springtail-inspired multimodal walking-jumping microrobot[J]. Science Robotics, 2025, 10: eadp7854.

当机器人变得越来越小，地面上的一块小石子都成了难以逾越的“高山”。如何让厘米级别的微型机器人在复杂地形中自由穿梭？哈佛大学的研究团队从自然界的小小跳虫身上找到了答案。

本研究成功开发了一款重量仅2.2克、长度6.1厘米的行走-跳跃多模态微型机器人。该机器人不仅能够像昆虫一样灵活行走，还能通过仿生弹跳机制实现高达1.4米（23倍体长）的跳跃距离，性能超越同体型的昆虫。研究团队通过高速摄像揭示了仅14毫秒的起跳过程，发现其动力学特性与跳虫惊人地相似。

核心亮点：

✅ 极致轻量：2.2克重量，比一枚硬币还轻

✅ 超强跳跃：1.4米距离，相当于人类跳过40层高楼

✅ 精准控制：可重复定向跳跃，落地后保持直立

✅ 多模运动：行走、跳跃无缝切换，跨越多种复杂地形

🦗 灵感来源：跳虫的秘密武器

跳虫是一种微小的六足动物，它们拥有一个独特的跳跃器官——furcula（叉状弹器）。这个特殊的附肢平时收在腹部下方，当遇到威胁时，它会猛地撞击地面，瞬间将身体弹射到空中躲避危险。

研究团队发现，跳虫的跳跃过程可以分为六个阶段，从锁定、触地、旋转到离地，整个过程仅需14毫秒，时间不对称性高达500倍以上！

图 1. 机器人和弹尾并排跳跃序列，分为六个阶段。 (A) 以每秒 1450 帧 (fps) 的速度捕获的 Tomocerus vulgaris 跳跃序列，由 E. Christian (5) 提供。 (B) 电影 S1 中观察到的机器人跳跃序列。视频使用 Phantom 高速摄像机以 28,546.3 fps 的速度录制。对于每个跳跃阶段，起始帧和结束帧是重叠的。 (C) 具有标记转换的关键事件的时间顺序。该序列突出了加载阶段 I 之间较大的时间不对称性；跳跃阶段 II、III、IV 和 V；和空中第六阶段。 (D) (i)剪下的 1 毫米长的球状跳虫（暂定为 Dicyrtomina ornata）。 (ii) 弹尾腹侧图。被称为分叉的引人注目的附属物隐藏在下方，由巢穴 (d.) 和柄 (m.)组成。

图中展示了机器人与跳虫的跳跃序列对比，两者惊人的相似性揭示了这一设计的生物合理性。

🤖 技术创新：仿生跳跃机构

研究团队设计了一套精巧的扭矩反转弹射机构，灵感来自螳螂虾的捕食机制。该机构包含：

形状记忆合金（SMA）驱动器：通过电流加热收缩，缓慢储存能量

五杆连杆机构：通过几何奇点实现能量快速释放

分段式被动跳跃附肢：包括“胫节”和“足”，模仿跳虫的叉状弹器

图 2. 跳跃机构模型，显示闭锁机构和物理原型以及组件分解。 (A) 处于锁定状态的机器人模型。当肌腱力 Ft 拉向膝关节下方时，胫骨上随之而来的扭矩 τti 使其保持抵靠股骨的折叠状态。 (B) 当连杆移动并且肌腱力拉到膝关节上方时，胫骨处的扭矩翻转符号，触发跳跃。 (C) 跳跃机构位于电池供电的平台上，该平台加热 SMA 肌腱，导致收缩。 (D) 跳跃机器人原型在起飞过程中的剖面图。 (E) 基础原型由六个元素组成。

图中展示了跳跃机构的工作原理，当肌腱力拉动超过膝关节时，扭矩方向反转，触发快速释放。

📊 性能测试：超越生物极限

经过优化设计，这款微型机器人实现了令人惊叹的性能：

参数 数值 对比

质量 2.2 g 比一张A4纸还轻

长度 6.1 cm 约一节手指长度

最大跳跃距离 1.4 m 23倍体长

起跳速度 ~20 m/s 72 km/h

加速度 1,430 m/s² 146倍重力加速度

起跳时间 14.15 ms 人眼无法捕捉

图3. 跳跃轨迹。 (A) 各种髋部弹簧能量值的预测最佳轨迹以黑色表示（起飞角为 59°）。红色轨迹表示运动捕捉设置中测量的原型跳跃轨迹。洋红色轨迹对应于 khip = 334 N·mm·rad−1 优化解的不同起飞角度（56°、64° 和 73°）。 (B) 该机构实现的 1.4 米跳跃距离峰值的帧重叠以展示轨迹。

图中展示了机器人跳跃的完整轨迹，最高点可达数十厘米，飞行距离超过1米。

🏃 多模态集成：HAMR+跳跃模块

研究团队将这套跳跃机构集成到已有的哈佛步行微型机器人（HAMR）平台上，打造出真正的多模态机器人。HAMR采用压电驱动器驱动四足行走，支持多种步态（行走、小跑、跳跃、弹跳等）。

为了成功集成，团队进行了多项创新设计：

高摩擦力的X8 Gel-Pak材料覆盖接触表面

弹性复位肌腱实现重复跳跃

着陆导向环帮助机器人自动回正

FR-4绝缘材料防止短路

图4.HAMR与本文开发的LaMSA跳跃模块集成。

图中展示了完整的HAMR-Jumper机器人，所有组件精密集成在6厘米的机身内。

🌍 应用演示：征服复杂地形

研究团队设计了一系列挑战性场景，展示了这款机器人的卓越能力：

平台跳跃：机器人准确跳上3.5厘米高的平台（图5B）

跨越间隙：越过障碍物，降落在10°斜坡上（图5C）

障碍物跨越：跳过香蕉，从8°斜面跳到9°斜面（图5D）

物体操控：利用跳跃附肢推动较重物体（图5E）

障碍物敲击：触发物体移动（图5F）

物体抓取：在跳跃路径上拾取物品（图5G）

图 5. 机器人多模式运动能力和各种地形交互。 (A) 多模式运动是通过将不同的运动基元链接在一起来实现的。示例包括快步（向前/向后）、螃蟹步态（向左、向右，以及带有附加转动组件）和跳跃步态。此外，跳跃是通过使恒定电流流过 SMA 来控制的。当 SMA 冷却且延伸的肌腱反冲时，重新加载会被动发生。 (B 到 D) 地形导航演示，其中机器人分别跳到升高的平台上、在倾斜地形上清除间隙以及克服障碍。 (E 到 G) 跳跃机制实现的其他地形交互包括跳到物体上移动它们、机器人直立时撞击墙壁以及用缩回的尾巴舀起物体。

图中展示了机器人在不同地形和应用场景中的表现，充分体现了多模态运动的价值。

①仿生分段式跳跃附肢

首次在微型机器人中引入分段式被动跳跃附肢（胫节+足），完美模拟跳虫叉状弹器的运动学特性。这一设计不仅提高了跳跃稳定性，还能更有效地将能量转化为前进动力。

②扭矩反转弹射机制

采用螳螂虾启发的扭矩反转弹射机制，通过几何奇点实现能量快速释放。与传统设计相比，这一机制只需要一个驱动器就能同时完成能量储存和释放，极大减轻了重量和复杂度。

③动态建模与优化

建立了约束拉格朗日动力学模型，精确模拟跳跃过程中的地面接触力变化。通过500次迭代优化，找到了最优设计参数组合，实现了性能最大化。

④多模态运动集成

首次将高性能跳跃机构与敏捷四足步行平台成功集成，实现了真正的多模态运动。机器人可以在行走和跳跃模式间无缝切换，为复杂环境探索提供了新思路。

⑤生物学验证平台

这款机器人不仅是一项工程成就，还可作为研究跳虫跳跃行为的物理模型，验证了Brackenbury和Hunt关于叉状弹器关节作用的理论假设。

本研究成功开发了一款受跳虫启发的行走-跳跃多模态微型机器人，重量仅2.2克，却能实现1.4米的跳跃距离（23倍体长），性能超越同体型的昆虫。通过精妙的扭矩反转弹射机构和分段式被动跳跃附肢，该机器人能够精准控制跳跃方向，在复杂地形中实现多种机动动作。

未来研究将聚焦于以下几个方向：

🔸 能量自主化：集成微型电池和控制电路，实现真正无缆运行，拓展应用场景。

🔸 跳跃轨迹实时调控：通过主动控制技术，实现跳跃过程中的轨迹修正，提高目标命中率。

🔸 多机器人协同：探索多个机器人协作完成复杂任务的可能性，如集群搜索与救援。

🔸 抗摔性能优化：深入研究不同着陆姿态对机器人的影响，提高重复使用的可靠性。

🔸 小型化改进：进一步减小尺寸，探索亚厘米级机器人的跳跃机制与动力学特性。

🔸 新材料应用：引入新型智能材料，提高能量密度和驱动效率，实现更高的跳跃性能。

这款受跳虫启发的微型机器人，不仅展示了仿生学在机器人设计中的巨大潜力，也为我们理解自然界微小生物的惊人能力提供了新的视角。未来，这类机器人有望在灾害搜救、环境监测、军事侦察等领域发挥重要作用。