線蟲是一種非常獨(dú)特的生物，其身體的細(xì)度甚至比人的頭發(fā)還要纖細(xì)。盡管它們沒有腿，但卻能夠跳躍，且跳躍的距離是其自身長度的20倍。可以想象，如果我們躺在地上，突然一起身，竟能跳躍到一棟三層樓的高度，這種能力類似于線蟲的跳躍表現(xiàn)。

近日，佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程系（ChBE）的博士后研究員Sunny Kumar，針對線蟲的身體結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種名為SoftJM的物理模型，并通過軟機(jī)器人驗(yàn)證了這一模型在實(shí)際跳躍中的潛力。該研究成果已于《Science Robotics》四月刊上正式發(fā)表。

▍研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計：

為了獲得具有代表性的昆蟲病原線蟲（以下簡稱EPNs）樣本，研究人員在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了嚴(yán)格的培養(yǎng)。具體而言，EPNs（S. carpocapsae）被接種在含有蠟螟幼蟲（Galleria mellonella）的Petri培養(yǎng)皿中。作為EPNs的宿主，這些幼蟲為線蟲的生長與繁殖提供了必要的營養(yǎng)環(huán)境。經(jīng)過幾天的培養(yǎng)，當(dāng)幼蟲因感染而死亡后，研究人員便收集并將EPNs懸浮在水中，準(zhǔn)備進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

EPN、SoftJM 和模擬的定向跳躍

為了誘導(dǎo)EPNs表現(xiàn)出跳躍行為，研究人員設(shè)計了一套特定的實(shí)驗(yàn)裝置。在該裝置中，垂直放置的濾紙作為跳躍平臺，平臺上滴加了含有EPNs的液體介質(zhì)。通過精確控制環(huán)境的濕度以及施加化學(xué)刺激（例如暴露于二氧化碳濃度較高的空氣中），研究人員成功誘導(dǎo)了EPNs的跳躍行為。

線蟲的彎曲剛度和曲率分析

為捕捉EPNs跳躍的全過程，研究人員使用了高速攝像機(jī)（Photron FASTCAM SA-Z）。該攝像機(jī)以每秒10,000至30,000幀的速度記錄了EPNs從準(zhǔn)備跳躍、離地直至騰空的整個過程。

隨后，研究人員借助圖像處理軟件（如DLTdv8）對記錄的視頻進(jìn)行了詳細(xì)分析，提取了EPNs在跳躍前的身體形態(tài)變化、跳躍的高度、速度及加速度等關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)為研究人員深入理解EPNs跳躍的生物力學(xué)機(jī)制提供了寶貴的參考依據(jù)。

▍物理模型的構(gòu)建與測試

為了驗(yàn)證EPNs跳躍機(jī)制在軟體機(jī)器人中的應(yīng)用潛力，研究人員設(shè)計并制作了四種不同類型的生物啟發(fā)物理模型（SoftJM）。這些模型模擬了EPNs在跳躍過程中通過扭結(jié)不穩(wěn)定性來存儲和釋放能量的過程。

SoftJM 中的扭結(jié)引起的彈性能量存儲和力動力學(xué)

SoftJM 1：該模型采用水靜力學(xué)骨架，由充水的長乳膠氣球制成，模擬了EPNs液態(tài)連接α形環(huán)結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)充水量，研究人員能夠控制模型的剛度與形態(tài)，從而探索不同條件下模型的跳躍性能。

SoftJM 2：在SoftJM 1的基礎(chǔ)上，研究人員添加了塑料條作為剛性骨架，以增強(qiáng)模型的剛度。此設(shè)計模仿了EPNs體內(nèi)可能存在的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，探討了剛度對跳躍性能的影響。

SoftJM 3：該模型由不同彈性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制成。通過調(diào)整PDMS與交聯(lián)劑的比例，研究人員可以精確控制模型的剛度，以研究材料特性對跳躍性能的影響。

SoftJM 4：為了進(jìn)一步增強(qiáng)模型的剛度和能量存儲能力，研究人員在硅膠基體中加入了碳纖維骨架。碳纖維的加入顯著提高了模型的強(qiáng)度和剛度，使其在彎曲過程中能夠形成更穩(wěn)定的扭結(jié)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高的彈性勢能存儲。

在物理模型的測試過程中，研究人員利用定制的實(shí)驗(yàn)裝置對每種模型進(jìn)行了彎曲實(shí)驗(yàn)。通過記錄不同彎曲應(yīng)變下的恢復(fù)力，研究人員評估了扭結(jié)不穩(wěn)定性對能量存儲與釋放的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶有剛性骨架的SoftJM 2和SoftJM 4模型在彎曲過程中能夠形成更加穩(wěn)定的扭結(jié)結(jié)構(gòu)，顯著提高了能量存儲能力；在釋放時，這些模型能夠釋放出更高的動能，從而實(shí)現(xiàn)更高的跳躍高度與速度。

▍數(shù)值模擬與驗(yàn)證

為了深入研究EPNs跳躍過程中扭結(jié)不穩(wěn)定性機(jī)制，并驗(yàn)證物理模型測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究人員采用了Cosserat桿模型對EPNs的跳躍過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。Cosserat桿模型能夠模擬彈性桿在外力作用下的彎曲、扭轉(zhuǎn)與拉伸等變形行為，特別適合分析EPNs跳躍過程中的動力學(xué)現(xiàn)象。

長寬比對 EPN 和 SoftJM 跳躍性能的影響

在數(shù)值模擬中，研究人員首先根據(jù)EPNs的實(shí)際尺寸與形態(tài)建立了Cosserat桿模型，并為模型設(shè)置了合適的材料參數(shù)和邊界條件。通過調(diào)整模型的參數(shù)（如長寬比、剛度等），研究人員模擬了在不同條件下EPNs的跳躍過程。具體而言，研究人員重現(xiàn)了EPNs從環(huán)形結(jié)構(gòu)的形成、扭結(jié)的生成到環(huán)形結(jié)構(gòu)展開的全過程，并記錄了模型在不同時間點(diǎn)的形態(tài)變化、應(yīng)力分布以及能量轉(zhuǎn)換情況。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究人員將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。通過調(diào)整模擬參數(shù)和模型假設(shè)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模擬條件與實(shí)驗(yàn)條件一致時，數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測EPNs的跳躍性能及其扭結(jié)不穩(wěn)定性機(jī)制。此外，研究人員還利用數(shù)值模擬探討了不同參數(shù)對EPNs跳躍性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化物理模型與軟體機(jī)器人的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

通過線蟲培養(yǎng)與觀察、物理模型構(gòu)建與測試，以及數(shù)值模擬與驗(yàn)證這三個核心環(huán)節(jié)的研究，研究人員深入揭示了EPNs通過可逆的扭結(jié)不穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)高效跳躍的生物力學(xué)機(jī)制，并驗(yàn)證了這一機(jī)制在軟體機(jī)器人設(shè)計中的應(yīng)用潛力。這些研究成果不僅為軟體機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法，也為生物力學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了寶貴的參考。

▍研究結(jié)果

通過對EPNs跳躍過程的高速攝像記錄與圖像分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，EPNs能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)其體長20倍的跳躍高度，并產(chǎn)生約10^4瓦特/千克的功率，這一性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)軟體機(jī)器人。EPNs的跳躍過程可分為三個關(guān)鍵階段：環(huán)形結(jié)構(gòu)的形成、扭結(jié)結(jié)構(gòu)的形成以及環(huán)形結(jié)構(gòu)的展開。

在環(huán)形結(jié)構(gòu)形成階段，EPNs通過主動調(diào)節(jié)其身體的長寬比，在腹部形成液態(tài)連接的α形環(huán)結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)為后續(xù)能量的存儲提供了基礎(chǔ)。在扭結(jié)結(jié)構(gòu)形成階段，隨著環(huán)形結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步壓縮，其壓縮側(cè)的曲率超過臨界值，進(jìn)而形成扭結(jié)結(jié)構(gòu)。此過程中，EPNs的身體形態(tài)發(fā)生顯著變化，為能量的快速釋放創(chuàng)造了條件。在環(huán)形結(jié)構(gòu)展開階段，扭結(jié)迅速打開，釋放出儲存的彈性勢能，推動EPNs完成高效跳躍。

此外，研究人員還觀察到EPNs具有出色的方向控制能力。通過調(diào)整其頭部角度和環(huán)角度，EPNs能夠?qū)崿F(xiàn)向前和向后的雙向跳躍，這一發(fā)現(xiàn)為軟體機(jī)器人的運(yùn)動控制提供了新的思路。EPNs的方向控制機(jī)制可能與其神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉活動的精確調(diào)控有關(guān)，未來研究可進(jìn)一步探索這一機(jī)制，以提高軟體機(jī)器人的運(yùn)動靈活性和適應(yīng)性。

▍物理模型性能的驗(yàn)證與優(yōu)化

為了驗(yàn)證EPNs跳躍機(jī)制在軟體機(jī)器人中的適用性，研究人員設(shè)計并測試了四種不同類型的生物啟發(fā)物理模型（SoftJM）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶有剛性骨架的SoftJM 2和SoftJM 4模型在彎曲過程中能夠形成穩(wěn)定的扭結(jié)結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了能量的存儲能力。在釋放時，這些模型能夠釋放出更高的動能，從而實(shí)現(xiàn)更高的跳躍高度與速度。特別是SoftJM 4模型，憑借碳纖維骨架的加入，其剛度和能量存儲能力得到了顯著提升，成功實(shí)現(xiàn)了高達(dá)25倍體長的跳躍高度，展現(xiàn)出卓越的跳躍性能。

SoftJM 4的多功能應(yīng)用和安全演示

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，物理模型的跳躍性能與其長寬比和剛度之間存在密切關(guān)系。較低的長寬比有助于增加中段的曲率，從而提高能量存儲能力；而較高的剛度則使得系統(tǒng)更容易形成穩(wěn)定的扭結(jié)結(jié)構(gòu)，在展開時釋放出更多的動能。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究人員為軟體機(jī)器人的設(shè)計提供了重要的優(yōu)化方向：通過調(diào)整模型的長寬比與剛度，可以有效調(diào)控其跳躍性能。

▍扭結(jié)不穩(wěn)定性的機(jī)制探索與數(shù)值驗(yàn)證

為了深入理解EPNs跳躍過程中的扭結(jié)不穩(wěn)定性機(jī)制，研究人員采用了Cosserat桿模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。通過數(shù)值模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)扭結(jié)不穩(wěn)定性在EPNs跳躍過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在彎曲過程中，EPNs的身體形成扭結(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)能夠在有限的肌肉力量下高效地存儲能量。在結(jié)構(gòu)展開時，扭結(jié)迅速消失，釋放出儲存的彈性勢能，推動EPNs實(shí)現(xiàn)高效跳躍。

生物和工程系統(tǒng)中的方向控制跳躍和加速

此外，數(shù)值模擬還揭示了長寬比和剛度對扭結(jié)不穩(wěn)定性的影響。通過調(diào)整模型的相關(guān)參數(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)較低的長寬比和較高的剛度有助于形成更穩(wěn)定的扭結(jié)結(jié)構(gòu)，從而提高能量的存儲與釋放效率。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究人員為軟體機(jī)器人的設(shè)計提供了理論依據(jù)，表明通過優(yōu)化模型的長寬比和剛度，可以進(jìn)一步提升其跳躍性能。

▍結(jié)語與未來：

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證明了可逆扭結(jié)不穩(wěn)定性在EPNs跳躍過程中起到了關(guān)鍵作用，并且這一機(jī)制在顯著提升軟體機(jī)器人跳躍性能方面具有巨大的潛力。借鑒EPNs的跳躍機(jī)制，研究人員成功設(shè)計并驗(yàn)證了基于可逆扭結(jié)不穩(wěn)定性的軟體機(jī)器人跳躍模型（SoftJM），為軟體機(jī)器人的發(fā)展提供了全新的思路和方法。

研究團(tuán)隊(duì)指出，未來的研究可進(jìn)一步探索扭結(jié)不穩(wěn)定性在其他軟體機(jī)器人應(yīng)用中的潛力，例如在爬行、游泳或抓取等任務(wù)中的應(yīng)用。通過結(jié)合智能材料和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，研究人員有望開發(fā)出具有更高靈活性與適應(yīng)性的軟體機(jī)器人，以滿足復(fù)雜環(huán)境下的多樣化需求。