近日，哈爾濱工業大學深圳校區前沿學部理學院教授仲政、梁旭東團隊在仿果蠅幼蟲的軟體翻滾機器人運動機理領域取得新進展。研究人員通過對果蠅幼蟲翻滾運動時的肌肉活性進行成像觀察與力學建模，揭示了動物通過內部肌肉依次軸向收縮舒張，即可產生翻滾力矩的原理，并將該原理應用于軟體機器人，實現自主翻滾，開辟了新型滾動機構設計之路。該成果發表于《物理評論快報》，并被評為“編輯精選”。
輪子的發明被譽為人類文明的里程碑，其核心在于將平動轉化為滾動的力矩。傳統觀點認為，滾動必須依賴外力或肢體與環境的反作用力，例如甲蟲翻身時的蹬地動作。然而，自然界中一些動物卻展現了截然不同的智慧，它們通過改變身體內部結構實現自主滾動，例如果蠅幼蟲在遇到危險時，能將身體彎曲成C形并持續滾動逃離，這種“內力驅動”的機制尚未被完全的探索。針對此問題，團隊通過對果蠅幼蟲翻滾運動時的肌肉活性進行高時空分辨成像，首次探索了其內部肌肉如何產生環向力矩，從而驅動翻滾運動的機理。
研究人員發現，果蠅幼蟲在翻滾過程中，身體表面肌肉群沿著身體長軸方向，依次按時針順序進行收縮–舒張運動。當某一側肌肉收縮時，身體彎曲成C形；隨后相鄰肌肉接力收縮，推動彎曲方向動態變化，從而產生持續的滾動力矩，這種機制類似于“波浪式傳遞”，能夠在體內產生環向驅動力矩。
幼蟲肌肉消融實驗。研究團隊供圖
基于此，研究團隊構建了一套多尺度力學模型，將肌肉動力學、流體靜力骨骼變形與接觸摩擦納入統一框架。模型顯示，幼蟲體內的流體內壓維持了體壁剛度，使肌肉收縮能量高效轉化為形變。軸向肌肉按序激活時，體壁非對稱應力分布形成滾動力矩，該模型證實了這種順序伸縮在無外力作用下即可產生環向力矩，成功預測了幼蟲在平面、倒置表面甚至空中的滾動行為。通過量化潤滑條件下滾動速度與摩擦力的動態平衡，理論與實驗觀測高度吻合。
基于上述生物和力學模型的啟發，團隊設計并制造了一款僅由模擬軸向肌肉組織構成的軟體機器人，并通過實時控制這些“肌肉”依次縮放形變，成功演示了機器人自主翻滾運動。這一實現不僅驗證了力學模型的準確性，也展示了基于內部結構變形驅動的全新滾動機構的工程可行性。
該研究從原理上系統揭示了依靠內部肌肉序列伸縮即可產生翻滾力矩的機制，打破了外力依賴的慣性思維。同時通過軟體機器人驗證，為設計新型可變形滾動機構提供了全新思路，未來有望在醫學機器人、野外探測和災區救援等復雜環境中實現高效機動。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.198401
本文鏈接：研究人員在仿生軟體翻滾機器人運動領域獲進展http://m.sq15.cn/show-11-21977-0.html
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