自然爬行者刚柔比例启发混合机器人设计：运动机制与性能优化的定量研究

为解决刚性机器人缺乏环境适应性与软体机器人承载控制力不足的问题，新加坡教育部资助团队开展自然爬行者刚柔比例(H2S-R)系统性研究。通过量化分析四类运动机制（双锚式、蠕动式、波动式、多足式）生物样本，首次确立各机制H2S-R最优区间（如多足类1.0-2.4），揭示比例提升普遍加速运动性能（除波动式），为混合机器人设计提供生物力学基准。成果发表于《Extreme Materials》，对救援监测、太空探索等领域具重要指导价值。

　　

在机器人技术领域，长期存在"刚性"与"柔性"的设计哲学之争。传统刚性机器人虽能精准控制和高负载，却难以在复杂地形中灵活穿行；软体机器人虽具备卓越的环境适应性，却常因结构强度不足而限制其应用场景。这种矛盾在救援抢险、太空探测等极端环境任务中尤为突出。自然界中，爬行生物经过亿万年进化，完美平衡了刚性与柔性组件的配比——蛇类通过刚柔相济的脊柱实现沙地滑行，蚯蚓凭借液压骨骼与肌肉的协同完成土壤掘进，这些现象暗示着生物体可能隐藏着优化运动效能的黄金比例。

新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)联合Advanced Research and Invention Agency的研究团队在《Extreme Materials》发表突破性研究，首次系统量化分析了自然界四大类爬行生物（双锚式、蠕动式、波动式、多足式）的硬组织-软组织比例(Hard-to-Soft Part Ratio, H2S-R)，揭示出不同运动机制对应的刚柔配比规律及其对运动性能的影响机制。研究人员创新性地将生物体的骨骼系统（包括外骨骼、内骨骼和液压骨骼）统一定义为"硬部"，而肌肉、结缔组织等归为"软部"，通过解剖学数据建立了跨物种可比的计算模型。

研究采用多尺度生物力学分析技术，包括：1) 显微CT扫描定量组织体积占比；2) 运动捕捉系统测量体长标准化速度(BL/s)；3) 摩擦力学建模分析不同基质下的锚定效率；4) 仿生机器人验证平台对比生物与人工系统的性能差距。样本涵盖15目32种典型爬行生物及21款仿生机器人原型。

Results
双锚式爬行者（如毛虫）展现出极低H2S-R(0.0005–0.003)，其微量的几丁质刚毛与发达体壁肌肉的配合，实现每秒0.03–0.12体长的运动效率。蠕动式（如蚯蚓）H2S-R集中0.08–0.09，液压骨骼与环纵肌的精准协同产生0.004–0.2体长/秒的波速。波动式（如蛇类）比例跨度较大(0.02–0.08)，显示该机制对刚柔变化的包容性，但速度并不随H2S-R单调增长。多足类（蜈蚣等）比例最高(1.0–2.4)，外骨骼占比与运动速度呈显著正相关(r=0.82)。

Conclusions
研究确立四大运动机制的H2S-R优化区间，发现除波动式外，提高比例普遍增强运动性能。与仿生机器人对比显示，现有技术在多足类（差距达60%）和双锚式（差距达45%）领域提升空间最大。该成果为混合机器人设计提供三项准则：1) 地形复杂场景优先采用<0.1的H2S-R；2) 负重任务需保持>1.0的比例；3) 波动式机构应注重柔性关节的局部强化。

这项研究首次建立生物刚柔比例与运动效能的定量关系图谱，被同行评价为"仿生机器人领域的里程碑工作"。其揭示的 scaling law 不仅指导机器人设计，更为理解生物进化中的形态-功能共适应机制提供新视角。团队研发的仿蚯蚓救灾机器人已实现管道检测中的零半径转弯，验证了生物比例工程化的可行性。未来研究将拓展至飞行、游泳等更多运动模态的刚柔协同机制解析。