仅1.1克重，最快的软跳跃机器人Made in China

对于机器人而言，跳跃是一种十分重要的能力，这能够使它们扩大活动范围，克服行进障碍，适应许多非结构化环境等。

连续跳跃和方向可调整性，是具有多模态运动的地面机器人的基本特性。然而，目前只有少数软跳跃机器人能够实现快速连续跳跃和控制转向运动，以实现越障。

如今，中国科研团队提出了一种基于软电静力学弯曲致动器的，电静力学驱动的系绳无腿软跳跃机器人，这种机器人仅仅 1.1 克重、6.5 厘米长，0.85 毫米厚，能够实现 7.68 倍体高的跳跃高度和每秒 6.01 倍体长的连续向前跳跃速度，结合两个执行器单元，可实现每秒 138.4°的转向速度。

相关论文发表在科学期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上，论文的主要作者分别来自重庆大学、哈尔滨工业大学、上海大学、北京航空航天大学等。

研究人员还将其他功能性电子设备（如传感器）集成到制动器上，从而实现包括侦测环境变化在内的多种应用，并建议未来进行结构优化以改进软体机器人的跳跃性能，未来或对无绳方案的进一步研究或可增进这类软体机器人的通用性。

创新电液静力驱动方式

提高软跳跃机器人的单跳性能（跳跃高度 JH 和跳跃距离 JD）以提高其越障能力，同时加快跳跃频率以提高其导航效率，是软跳跃机器人面临的两大工程挑战。

目前，业界已经开发出了能够向前导航的软或部分软跳跃机器人，驱动方式也十分多样，有集成弹簧、形状记忆合金（SMA）、磁致动器、光动力致动器、介电弹性体致动器（DEA）、气动致动器、化学致动器、电机和聚偏二氟乙烯（PVDF）致动器驱动等。

有一部分是储能跳跃机器人，这类机器人通常具有强劲的单跳性能，但由于需要额外的弹性储能过程，因此需要牺牲导航效率为代价。

此外，尽管储能过程的延长增加了跳跃高度，但降低了着陆稳定性，同时降低了跳跃频率；由气动执行器、化学执行器和电机驱动的软跳跃机器人，通常需要复杂的导航策略和结构；而基于 DEAs 和 PVDF 执行器的轻型软跳跃机器人，可以通过弯曲身体部位进行简单跳跃，无需额外储能，这会导致快速跳跃频率，但它们的 JHs 和 JDs 不足以满足跨越障碍物的要求（<0.25 体高）。

液压放大自愈静电（HASEL）执行器可以通过电流体静力学改变内部液体的分布来实现线性运动，这种电液驱动方法可以在很短的时间内产生跳跃所需的能量，而不需要复杂的能量储存过程，是快速越障机器人的潜在解决方案，但仍面临三大挑战：

（1）在没有堆叠的情况下提高单跳性能；
（2）实现快速恢复；
（3）产生向前跳跃和转向跳跃。

经过深入分析这些机器人方案的优劣势和性能后，研究人员使用基于电静力学原理和框架的快速弯曲和回弹，来增强致动器的跳跃性能。

图 | LSJR 详细设计和运动原理（来源：Nature Communications）

研究人员将新的解决方案命名为 LSJR：一种电液静力驱动的系留式无腿软跳跃机器人，该机器人基于软电液静力弯曲致动器（sEHBA），具有快速、连续、转向跳跃和越障能力。

初步实验表明，sEHBA 的快速响应特性导致短启动时间（~10 ms），LSJR 可用于实现 7.68 个身体高度的 JH，单次跳跃为 1.46 个身体长度，连续向前跳跃速度为 390.5 mm/s（每秒 6.01 个身体长度），频率为 4 Hz。

他们还证明了双体 LSJR 的转向速度能够达到每秒 138.4°，是现有软跳跃机器人中速度最快的。

图｜机器人弹跳的原理和效果（来源：Nature Communications）

实验场景下，LSJR 的快速连续跳跃运动可以跨越多种障碍物（其中一些比机器人大），包括斜坡、电线、单步、连续步、环形障碍物、砾石丘和不同形状的立方体等。

探索最佳性能参数

LSJR 由两个塑料半圆形袋组成，袋子是双向取向聚丙烯（BOPP）薄膜材料，袋上印有柔性电极，用于潜在电线连接。袋子前面装满了介电液体，后面装满了同样体积的空气。柔性塑料（PVC）环框架固定在边缘上，并进行预拉伸。通过向两个电极施加高压，LSJR 通电以弯曲自身，产生向前跳跃的力和能量，后部气囊有类似于动物的尾巴，用于保持跳跃和着陆姿势的平衡，在LSJR的整个结构中起着重要作用。

从设计理念和运动原理方面来讲，研究人员将一个 HASEL 型致动器热封为一个半圆形分离 HASEL（SCS-HASEL）致动器，该致动器由两个基于拉链机制的半圆形液体袋组成，然后，用等量的空气替换 SCS-HASEL 致动器后半圆袋中的介电液体，并移除后半圆袋的覆盖电极，使介电液体能够相对于整个致动器各向异性流动。

正如预期那样，可以发现特殊的液-气布局可以使液-气致动器向前跳跃，即使气囊在地面上跳动，这是因为电极挤压液体电介质，使其快速流动，LSJR 通电弯曲自身，从而使其获得初始动能。为了进一步提高 LSJR 的跳跃性能，可以用氦气或其他密度较低的非爆炸性气体替换该袋中的空气。轻巧的机器人设计使跳跃和着陆稳定，不会翻船。

图｜LSJR 移动前进测试（来源：Nature Communications）

JD 和 JH 是两个重要的性能指标，可用于表征 LSJR 的跳跃性能。r=电极面积：非电极面积，实验显示 r=1:1 时机器人产生了更大的 JD 和J H，过量的 r（例如 r=2:1）会影响 BOPP 薄膜的柔韧性，阻碍框架的正常弯曲，降低垂直地面反作用力。

此外，连续向前跳跃速度（CFJS）是连续向前跳跃机器人的一个重要性能特征，在 10 kV和 4 Hz 下，平均旋转速度（TS）=138.4°/s，据论文描述，这是现有软跳跃机器人中速度最快的，这是在木板上的成绩。而在不同的衬底上会大大影响连续跳跃能力，在表面光滑的玻璃板上，同样 10 kV 和 4 Hz 的条件，平均 TS 仅为 27.9°/s。足够的基板表面粗糙度不仅可以防止机器人在连续运动中打滑，还可以阻碍无动力 LSJR 的运动，从而影响转向行为。

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