Bio-inspired tail oscillation enables robot fast crawling on deformable granular terrains
作者: Shipeng Liu, Meghana Sagare, Shubham Patil, Feifei Qian
分类: cs.RO
发布日期: 2025-09-15
💡 一句话要点
仿生尾部摆动提升机器人于可变形颗粒介质上的快速爬行能力
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 仿生机器人 尾部摆动 颗粒介质 机器人运动 可变形地形
📋 核心要点
- 现有陆地机器人在沙土等可变形环境中运动时，由于复杂的机器人-地形交互作用，面临着速度慢、阻力大的挑战。
- 该研究受弹涂鱼启发，探索通过尾部摆动来流化颗粒介质，从而降低机器人运动阻力，并提出基于基质强度和尾部形态的尾部动作选择原则。
- 实验结果表明，尾部摆动能显著提升机器人在颗粒介质上的运动速度（提升67%），并降低身体阻力（降低46%）。
📝 摘要（中文）
由于复杂的机器人-地形交互作用，沙子和泥浆等可变形基质对陆地机器人提出了重大挑战。受弹涂鱼的启发，这种两栖动物能够自然地调整其尾部形态和运动方式，从而在这些环境中导航。我们研究了尾部设计和控制如何共同增强鳍驱动的机器人在颗粒介质上的运动能力。通过使用模仿弹涂鱼的仿生机器人，我们通过实验比较了空闲和主动摆动尾部配置之间的运动性能。尾部摆动使机器人速度提高了 67%，并将身体阻力降低了 46%。剪切力测量表明，这种改进是通过尾部摆动使基质流化，从而降低阻力来实现的。此外，尾部形态强烈影响摆动策略：具有较大水平表面积的设计通过限制插入深度，更有效地利用了摆动减少的剪切阻力。基于这些发现，我们提出了一种设计原则，用于根据基质强度和尾部形态来指导尾部动作选择。我们的结果为尾部设计和控制提供了新的见解，以改善机器人在可变形基质上的运动，对农业机器人、搜索和救援以及环境探索具有重要意义。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决陆地机器人在沙子、泥浆等可变形颗粒介质上运动时，由于复杂的机器人-地形交互作用而导致的运动速度慢、阻力大的问题。现有方法通常难以有效应对这种复杂环境，导致机器人运动效率低下。
核心思路：论文的核心思路是模仿弹涂鱼的尾部运动方式，通过尾部摆动来改变机器人周围颗粒介质的物理特性，使其流化，从而降低机器人运动时的阻力。这种仿生设计旨在利用自然界生物的适应性策略来解决工程问题。
技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1) 构建一个仿生机器人，其结构模仿弹涂鱼，包括鳍和尾部；2) 设计不同的尾部形态，并实现尾部的摆动控制；3) 在不同的颗粒介质上进行实验，比较不同尾部形态和摆动方式下的机器人运动性能，包括速度和阻力；4) 通过剪切力测量分析尾部摆动对颗粒介质的影响；5) 基于实验结果，提出尾部设计和控制的原则。
关键创新：该研究的关键创新在于：1) 将生物的尾部摆动策略应用于机器人运动控制，为解决可变形介质上的运动问题提供了一种新的思路；2) 揭示了尾部摆动对颗粒介质流化的作用机制，并通过实验验证了其有效性；3) 提出了基于基质强度和尾部形态的尾部动作选择原则，为机器人尾部设计和控制提供了指导。
关键设计：关键设计包括：1) 尾部形态设计：设计了具有不同水平表面积的尾部，以研究尾部形态对运动性能的影响；2) 尾部摆动控制：实现了尾部的周期性摆动，并可以调整摆动频率和幅度；3) 实验参数设置：在不同的颗粒介质上进行实验，并测量机器人的运动速度、阻力以及颗粒介质的剪切力。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，与空闲尾部配置相比，主动摆动尾部配置使机器人的运动速度提高了67%，身体阻力降低了46%。剪切力测量结果表明，尾部摆动能够流化颗粒介质，从而降低阻力。此外，尾部形态对摆动策略有显著影响，具有较大水平表面积的尾部设计能够更有效地利用摆动减少的剪切阻力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于农业机器人、搜索与救援机器人以及环境勘探机器人等领域。通过优化机器人的尾部设计和控制策略，可以提高机器人在复杂地形环境下的运动能力和工作效率，使其能够更好地完成各种任务，例如农田作业、灾区搜救和环境监测。
📄 摘要（原文）
Deformable substrates such as sand and mud present significant challenges for terrestrial robots due to complex robot-terrain interactions. Inspired by mudskippers, amphibious animals that naturally adjust their tail morphology and movement jointly to navigate such environments, we investigate how tail design and control can jointly enhance flipper-driven locomotion on granular media. Using a bio-inspired robot modeled after the mudskipper, we experimentally compared locomotion performance between idle and actively oscillating tail configurations. Tail oscillation increased robot speed by 67% and reduced body drag by 46%. Shear force measurements revealed that this improvement was enabled by tail oscillation fluidizing the substrate, thereby reducing resistance. Additionally, tail morphology strongly influenced the oscillation strategy: designs with larger horizontal surface areas leveraged the oscillation-reduced shear resistance more effectively by limiting insertion depth. Based on these findings, we present a design principle to inform tail action selection based on substrate strength and tail morphology. Our results offer new insights into tail design and control for improving robot locomotion on deformable substrates, with implications for agricultural robotics, search and rescue, and environmental exploration.