《Advanced Robotics Research》：WorMa: An Undulatory Robot With Center of Mass Regulation via Internal Fluid Redistribution for Amphibious Locomotion
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波动机器人是能够在地面运动的机器人，但尚无一种展现出包含入水和出水在内的完整运动能力。研究人员提出了WorMa——一种两栖波动机器人，其将内部流体再分配作为唯一的地形适应机制，通过泵驱动的乳胶气球系统（pump-driven latex balloon sys
波动机器人是能够在地面运动的机器人，但尚无一种展现出包含入水和出水在内的完整运动能力。研究人员提出了WorMa——一种两栖波动机器人，其将内部流体再分配作为唯一的地形适应机制，通过泵驱动的乳胶气球系统（pump-driven latex balloon system）在头部偏置（head-biased）、平衡（balanced）和尾部偏置（tail-biased）构型之间移动质心（center of mass, CoM）。该机器人在整个运动过程中采用单一的开环波动步态，能够穿越平坦地面、倾角达19.5°的斜面、高达15 cm的台阶以及开阔水面。研究人员通过牵引实验（traction experiments）并辅以运动学仿真（kinematic simulations），表征了离散的质心构型如何决定跨地形类型的运动性能。在倾斜地形上，仅头部偏置的质量分布能够实现成功爬坡，并且是唯一能够完成从水到陆过渡的构型。在任一固定质量构型下均无法实现的台阶跨越，则通过与波动波同步的动态质量转移得以成功完成。结果表明，内部流体再分配可作为一种机械简单且有效的地形适应策略应用于波动机器人，无需专用的重构执行器或步态切换即可实现两栖能力。
波动机器人（undulatory robot）是一种通过身体波形传播产生推进力的机器人，具有在地面和水下运动的潜力。然而，现有波动机器人尚未能实现包含进入和离开水体的完整两栖运动，其根本原因在于地面爬行依赖基底交互，而水中运动依赖水动力推力，二者物理机制不同。已有的多地形运动方案通常通过增加执行器、运动模式或机械重构来应对不同地形，导致系统复杂度显著增加。内部质量再分配在生物系统（如鱼类通过鱼鳔调节浮力和姿态）和工程系统（如潜艇压载水舱）中已有应用，但在波动机器人中作为地形适应机制尚未被探索。因此，研究人员提出以内部流体再分配作为唯一的地形适应机制，通过离散质心构型匹配不同地形的力学需求，从而实现两栖运动。
研究人员设计并制造了WorMa机器人，该机器人具有五连杆、四主动关节的平面结构，总长50 cm，质量1.063 kg。其核心是位于头部和尾部的两个乳胶气球水箱，由中央的蠕动泵通过硅胶管连接，可双向转移300 g水（约占总质量28%），从而在头部偏置（100,0）、平衡（50,50）和尾部偏置（0,100）三种离散构型间移动质心。机器人以单一开环波动步态运行，无需专用重构执行器或步态切换，即可穿越平坦地面、最大19.5°斜面、最大15 cm台阶和开阔水面，并完成陆水双向过渡。通过牵引实验和运动学仿真，研究人员系统表征了质心构型对不同地形运动性能的影响，证明了内部流体再分配是一种简单有效的两栖地形适应策略。
关键技术方法包括：第一，蠕动泵驱动的内部流体再分配系统，实现头尾之间双向质量转移；第二，基于五连杆平面链的运动学仿真模型，采用整流正弦波驱动并结合各向异性摩擦棘轮模型，用于预测不同幅值（A）、关节间相位滞后（Δφ）和质心配置下的位移与速度，从而缩小实验参数搜索范围；第三，牵引力测量实验，通过定滑轮和递增悬挂质量测定各构型下的最大牵引力；第四，性能评估指标，包括平均速度、运输成本（cost of transport, CoT）以及速度与效率的调和平均；第五，多场景实验平台，包括平坦地面、10.0°与19.5°斜面、4 cm与15 cm台阶、2.1 m × 1.4 m水池以及组合多地形演示场地。位置数据通过绿色视觉标记和相机记录，利用OpenCV与Kinovea软件提取；能耗通过板载电流和电压传感器连续采集。
5.1 平坦地面运动
在A=70°条件下，对三种质心构型和三种相位滞后（0.20、1.20、2.20 rad）共进行27组实验。结果表明，最低相位滞后0.20引起不可预测的跳动和失控运动，被判定为不稳定并排除。头部偏置构型在相位滞后1.20时获得最高的调和平均分，速度比最慢构型提高最多2.95 cm/s，并将CoT降低至0.52。仿真与实验一致表明，质心靠近头部时速度更快。
5.2.1 倾斜地形
实验在10.0°和19.5°倾角下进行，结果分为稳定成功、半稳定、静止和失败四类。头部偏置在所有测试相位下均能成功爬坡，仅在相位滞后0.8时能以1.4 cm/s的平均速度爬上19.5°斜面；在10°斜面上，头部偏置性能优于平衡配置，而尾部偏置最多只能实现稳定运动。与平衡配置相比，头部偏置的速度提升可达1.45倍，CoT至少降低33%。
5.2.2 台阶跨越
在4 cm低台阶上，固定头部偏置因侧滑失控而失败，固定尾部偏置则因前部法向力不足而从台阶弹回。通过动态质量转移——先以头部配重接近台阶，然后泵水至尾部并抬升颈部与尾部以推动机器人贴近台阶，再将质量转移回头部——成功跨越了4 cm和15 cm的台阶。该策略依赖于与波动波同步的质心主动变化，固定质心构型无法实现。
5.3 水生运动
在A=70°、相位滞后1.2下，对三种构型各进行四次实验。尾部偏置实现了最高前进速度和效率，峰值速度达9.6 cm/s，比头部偏置提高26%，效率提升52%。平衡配置的横向漂移最小，但速度和效率居中；头部和尾部配置均表现出较大的横向漂移，构成一定的局限性。
5.4.1 陆到水过渡
机器人在半浸入水中的斜面上运动，被划分为地面、过渡和水中三个阶段。不同质量配置的相位时间和能耗不同。平衡配置用于地面、尾部配置用于水中以及头部配置用于地面等方式提供了最快且最节能的组合选项。
5.4.2 水到陆过渡
在浮于水中的状态下，仅头部偏置配置成功在75秒内完成登陆，其余配置因头部处法向力不足而倾斜失败，无法完成斜坡攀爬。
5.5 多地形演示
在组合测试台上，机器人结合前述高效策略，通过主动地在头部和尾部之间转移水来克服台阶，并使用头部配重完成斜坡攀爬，最终成功穿越平地、斜坡、台阶并落入水中，在水中继续游动。整个任务期间仅依靠内部流体再分配完成地形适应。
讨论与结论方面，研究人员指出最优质量配置具有地形特异性，流体再分配的作用是在地形边界切换这些配置。在波动运动中，步态本身沿身体轴移动质量，流体再分配以较慢的时间尺度增强这一过程，且无需修改步态。使用流体质量而非刚性质量可能有利于软体机器人。在松软地面，平衡配置可更均匀地分布重量，延缓下陷。当前系统的局限性包括：完全质量重新分配约需110秒，使质心调节成为离散的地形间操作；台阶跨越依赖遥操作序列；水中横向漂移尚未解决。未来工作包括探索更快的流体转移方法、引入传感器驱动的闭环控制以自主选择质心配置，以及通过流体密度差异扩展潜水与俯仰调节能力。研究结论可总结为：内部流体再分配可作为一种机械简单且有效的波动机器人地形适应策略，无需专用重构执行器或步态切换即可实现两栖能力。
