身体-地形相互作用影响昆虫与腿式机器人的大凸起跨越

小型动物和机器人在穿越复杂三维地形时，常须快速跨越较大的类凸起障碍，在此过程中，除腿-地接触外，其身体不可避免地会与障碍发生物理接触。然而，我们对大凸起跨越的性能极限以及身体-地形相互作用如何影响跨越知之甚少。为此，我们让圆盘蟑螂和开环六足机器人动态撞向高度可变的大凸起，以探明最大跨越性能，并研究运动模式与跨越性能如何受身体-地形相互作用影响。引人注目的是，在快速奔跑中，动物和机器人均能以典型奔跑速度动态跨越远高于其髋部高度的凸起（动物可达髋高 4 倍，机器人可达 3 倍），且跨越概率随凸起高度增加而降低。使用新颖的运动能量地形模型所做的稳定性分析解释了为何当动物或机器人以低初始身体偏航和高初始身体俯仰接近凸起时更可能跨越，反之则更可能偏转。受这些原理启发，我们展示了一种主动身体俯仰控制新策略，使机器人最大可跨越凸起高度增加了 75%。我们的研究是为理解复杂三维地形中运动而建立运动能量地形框架的重要一步。