哺乳動物的尾巴提供驚人的設計洞察

機器人雜技：哺乳動物的尾巴提供驚人的設計見解

在探索如何設計能夠利用尾巴在空中重新定位身體的機器人時，密西根大學 (University of Michigan) 和加州大學聖地牙哥分校 (University of California San Diego) 的研究團隊發現，哺乳動物已經找到了用更少的資源做更多事情的方法。

他們表示，這種模擬方法將有助於設計出更輕但更有效的機器人尾巴，並揭示動物如何利用物理原理進行操控。

密西根大學的機器人學助理教授塔莉亞·摩爾 (Talia Moore) 說：「自然界基本上發展出了兩種類型的脊椎動物尾巴。蜥蜴的重肌肉尾巴能在一個旋轉平面中重新定位身體，並啟發了許多剛性尾巴的機器人。」

她補充道：「乍一看，像貓這樣的哺乳動物的輕型肌腱驅動尾巴似乎在旋轉身體方面不太有效。但我們注意到，哺乳動物的尾巴可以形成更複雜的三維曲線，許多哺乳動物似乎同樣能夠利用尾巴進行身體旋轉。」

十多年前，摩爾曾試圖研究長尾沙鼠（jerboas）是否利用尾巴來達成這個目的。當時用來描述尾巴運動的方程式忽略了哺乳動物尾巴的彎曲和甩動方式，並且也認為沙鼠無法快速移動尾巴來旋轉身體。她將這個問題擱置了。

後來，當時摩爾研究小組的博士生徐富 (Xun Fu) 想設計一個帶尾巴的機器人。他們重新檢視這個問題，進行了詳細的電腦模擬，探索尾巴的關節如何影響身體在空間中的旋轉能力。團隊表示，他們的研究是首次通過模擬比較不同複雜附肢在三維空間中扭轉和轉動的有效性。

特別是，他們想知道增加骨段的數量和變化其長度是否能增強尾巴旋轉身體的能力。團隊設置了挑戰：僅通過尾巴運動，一個盒狀的身體必須在零重力空間中重新定位，翻轉和旋轉。

每個尾巴的評判標準是其身體接近每個目標的程度。為了保持尾巴在同一競爭水平上，團隊限制了它們改變位置所能使用的總努力——在多段尾巴中，所有關節的最大努力總和等於單段尾巴的單一關節所產生的最大努力。

徐富說：「我們不知道在探索不同尾巴關節配置的影響時，結果會是什麼樣子，特別是當允許單個骨頭的長度在優化過程中變化時。」

在機器人學教授拉姆·瓦蘇德萬 (Ram Vasudevan) 和機器人學博士生張博豪 (Bohao Zhang) 的幫助下，團隊使用模型發現了最佳化身體旋轉的尾巴結構：它擁有最多的段數，從短骨開始，迅速延長到最長的骨頭，然後逐漸縮短到尾巴的尖端。

摩爾和徐富隨後聯繫了位於加州大學聖地牙哥分校的合作者，他們正在研究哺乳動物尾骨的博物館標本。在UCSD的數據中，幾乎所有依賴空中重新定位的哺乳動物都顯示出相似的骨長模式。

UCSD的細胞與發育生物學教授金伯莉·庫珀 (Kimberly Cooper) 的博士後研究員塞里·韋伯 (Ceri Weber) 說：「哺乳動物尾巴的骨骼彼此之間差異很大，現在我們可以說這種特定類型的尾巴是為了促進慣性操控而進化的。我們期待看到其他類型的尾巴是如何運動的。」

摩爾建議，他們的模擬可以擴展到比較手臂、腿或翅膀在複雜三維形狀中的運動有效性，以便在空中扭轉和轉動，保持平衡等。這些結果可能會揭示人類和動物的生物力學，並指導機器人的設計。

徐富說：「在優化尾巴中，像生物學家觀察到的某些哺乳動物尾巴的長度分佈模式，呈現出漸強漸弱的特徵，這既令人驚訝又引人入勝。某種程度上，我認為這突顯了我們仍需揭示這些動物的更多秘密，以真正縮小生物物理學與機器人性能之間的差距。」