多稳态纤毛行走器的多模态运动与行为切换

纤毛阵列——微小的毛发状突起——的集体运动驱动了众多微生物的移动，使其能够进行多模态运动并在不同步态间自主切换，以在复杂环境中导航。为了赋予极简的厘米级机器人以同样丰富的动力学特性，我们引入了在机器人重量下会发生屈曲的毫米级柔性纤毛，将多稳态与驱动耦合在单一的物理机制中。当放置于振动表面时，这些纤毛行走器通过其纤毛的屈曲状态选择推进方向，从而允许响应扰动进行多模态运动及模式切换。我们首先表明，具有左右对称纤毛的双模态行走器在遇到障碍物时能够自主反转方向。接着，我们证明具有各向同性纤毛的行走器既表现出平动也表现出转动，并能响应环境相互作用在两者之间切换。在密度增加时，此类行走器的群体会集体地从以旋转为主转变为平动。最后，我们表明纤毛的形状、位置和数量控制着行走器的运动模式。我们的结果确立了一种合理且有物理依据的策略来设计极简软体机器人，其复杂行为源于内部力学状态与环境相互作用之间的反馈，为无需集中控制的自主机器人集群奠定了基础。