生物啟發的多模式機器人技術邁向更高靈活性與適應性

受自然啟發的多模態機器人能夠在飛行、行走、游泳或攀爬等不同運動形式之間切換，正迅速向動物的多樣性邁進。該研究強調，研究人員正在開發能夠通過在單一機器中結合多種運動模式來適應不斷變化的環境的機器人。文中還概述了主要的工程挑戰，包括有限的板載空間和為無縫運動所需的身體變形，並提出了五項性能指標來評估這些系統。這一框架旨在引導開發更具能力、高效和可適應的下一代機器人。

根據最新的綜述，受自然啟發的多模態機器人——這種能在行走、飛行、游泳、攀爬或跳躍等多種運動形式之間切換的機器，正迅速朝著自然界中所見的靈活性和適應性發展。這項由北京航空航天大學、大連理工大學和瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員主導的研究，檢視了受自然啟發的多模態機器人的演變、限制其發展的工程挑戰，以及評估其性能的新框架。

與使用單一運動形式的傳統機器人不同，多模態機器人能在同一平台上結合兩種或更多運動模式，如行走、飛行或游泳。該領域已從結合獨立機制演變為創建整合的、受動物啟發的系統，這些系統使用共享結構和智能控制來提高適應性和效率。根據該綜述，多模態機器人的主要目標不僅僅是增加更多的運動選項，而是提高在挑戰性環境中的整體性能。例如，一個既能飛行又能行走的機器人，可以利用飛行進行快速的長距離旅行，然後切換到行走以進行地面上的精確檢查。

同樣，兩棲機器人可以在陸地和水域之間轉換，以執行搜索和救援任務、環境監測或水下探索。

多模態機器人的工程挑戰

該研究識別了幾個必須克服的主要工程挑戰，以使這些機器人變得實用。其中一個最大的障礙是有限的板載空間，因為每增加一個運動模式就需要額外的執行器、傳感器、電池和機械部件，這會增加體積和重量。在一種模式中有用的部件在另一種模式中可能成為無用的負擔，降低效率。另一個挑戰是身體變形，即能夠物理重新配置機器人的結構以支持不同類型的運動。設計師還必須平衡剛度和靈活性，整合不同的驅動系統，並確保多種運動模式能協同工作，而不是互相干擾。

為瞭解決缺乏標準化評估方法的問題，研究人員提出了五項多模態機器人的性能指標。這些指標測量機器人擁有的運動模式數量、增加新能力的額外成本、在不同模式之間可以共享的部件數量、切換模式所需的時間或能量，以及通過結合多種運動形式所實現的整體性能增益。該綜述還考察了可能改善未來機器人的新興設計策略。柔性材料和靈活結構使機器人能夠變形並適應環境，而結構重用則使同一組件能夠執行多種功能。

未來的設計策略與技術

另一個有前景的方法是多機器人架構，其中一組簡單的機器人協作以集體實現多模態能力。從軟件方面來看，研究人員指出，傳統的規劃和控制算法在機器人切換運動模式時面對劇烈的動態變化時表現不佳。他們認為，加強學習、視覺-語言-行動模型、世界模型和具身智能機器人的進展將是實現無縫轉換和在複雜環境中自主決策的關鍵。展望未來，作者預見多模態機器人將緊密整合自適應硬件與基於人工智慧的感知、規劃和控制。

要實現這一目標，需要材料、高性能驅動器、傳感器和能夠應對不可預測的現實條件的學習算法方面的進展。如果這些挑戰能夠克服，研究人員認為，未來的受自然啟發的多模態機器人不僅能夠匹敵動物的多樣性，甚至在某些應用中超越其自然對應物。

多模態機器人技術的發展潛力

多模態機器人技術的進步不僅能提升機器人的靈活性和適應性，還可能改變多種行業的運作方式。隨著技術的發展，這些機器人將能在複雜環境中自主運作，執行如搜索救援、環境監測等任務。克服工程挑戰，如板載空間和身體變形問題，將是實現這些機器人潛力的關鍵。此外，結合人工智慧的進展將使機器人能夠更好地應對不可預測的情況，進一步拓展其應用範圍。