气动软机器人模拟果蝇幼虫的自转动作

软体机器人正在开启一个自适应机器的新时代，这些机器可以安全地与人体互动，挤压狭小的空间，并自主推进。

设计可以自己移动的软机器人一直很有挑战性。幸运的是，大自然已经做了艰苦的工作。

果蝇或果蝇幼虫有一种非凡的逃生策略——它们会逃离危险。中国研究人员的一项研究发现，幼虫将身体弯曲成“C形”，并向侧面滚动，围绕身体的横截面旋转。

受此机制的启发，他们设计了一种气动软机器人，即使在驱动运动的执行器有故障的情况下，也能成功模仿幼虫的滚动行为。研究结果发表在《物理评论快报》上。

轮子的发明是人类独有的，因为大自然缺乏完美的轮子，通常认为滚动是一种低效的运动方式。

在极少数情况下，一些动物在高风险情况下，如逃离捕食者或逃离危险环境时，会将移动作为最后的逃生策略。这些滚动运动是被动的、不精确的、缺乏方向的，通常依赖于风、重力或地面方向等外力。例如，网趾蝾螈从斜坡上滚下来，在滚到安全地带时有效地放弃了控制。

然而，一些动物已经进化出主动滚动策略，果蝇幼虫就是其中之一。为了躲避危险，这些蠕虫般的幼虫蜷缩成C形，沿着长轴旋转，远离威胁。

科学家认为，幼虫不依赖于外部因素，因为滚动时产生的力远大于重力或地面反作用力，即使倒置，幼虫也能成功滚动。

因此，提出了以下问题：幼虫滚动的驱动扭矩到底是多少？

为了揭示它们是如何滚动的，研究人员对幼虫进行了基因改造，使其表达肌肉活动标记，然后使用光片显微镜在充满水的微流体室中观察它们。由于幼虫会对潜在的有害刺激做出反应，研究人员将浴中的水加热到40°C以诱导滚动行为。

研究人员进行了消融实验，使用激光去除或破坏某些肌肉部分，以确定幼虫的11个节段中哪一个对幼虫的连续滚动至关重要。

研究结果表明，滚动取决于轴向肌肉在特定角度范围内的协调激活。该团队开发的力学模型解释了连续的肌肉收缩如何使静水骨架变形并与环境相互作用以产生滚动运动。

基于这些发现，研究人员开发了一种由硅橡胶和纤维约束制成的软机器人，能够通过驱动四个气动控制的内部腔室来产生和维持旋转。

对一个腔室加压会使机器人拉伸，但纤维的约束会使其向相反方向弯曲。他们发现，对四个腔室逐一加压可以使机器人向前滚动。即使执行器损坏，这也能正常工作。

这项工作借鉴了大自然的原理，突破了软机器人的界限，如果做得好，它将改变复杂环境中的搜救行动、医疗保健和探索。p