Bio-inspired tail oscillation enables robot fast crawling on deformable granular terrains

📄 arXiv: 2509.12468v1 📥 PDF

作者: Shipeng Liu, Meghana Sagare, Shubham Patil, Feifei Qian

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-15

💡 一句话要点

仿生尾部摆动提升机器人于可变形颗粒介质上的快速爬行能力

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 仿生机器人 尾部摆动 颗粒介质 可变形地形 机器人运动 运动控制 剪切力 液化

📋 核心要点

  1. 现有陆地机器人在沙地、泥地等可变形环境中运动时，由于复杂的机器人与地形交互作用，面临着运动效率低下的挑战。
  2. 该研究受弹涂鱼启发，探索通过尾部摆动来液化颗粒介质，从而降低机器人运动阻力，提升运动速度。
  3. 实验结果表明，尾部摆动能显著提升机器人在颗粒介质上的运动速度（67%），并降低身体阻力（46%）。

📝 摘要（中文）

由于复杂的机器人-地形交互作用，沙子和泥浆等可变形基质对陆地机器人提出了重大挑战。受弹涂鱼的启发，这种两栖动物能够自然地调整其尾部形态和运动方式，从而在这些环境中导航。我们研究了尾部设计和控制如何共同增强鳍驱动的机器人在颗粒介质上的运动能力。通过使用模仿弹涂鱼的仿生机器人，我们通过实验比较了空闲和主动摆动尾部配置之间的运动性能。尾部摆动使机器人速度提高了 67%，并降低了 46% 的身体阻力。剪切力测量表明，这种改进是通过尾部摆动液化基质，从而降低阻力来实现的。此外，尾部形态强烈影响摆动策略：具有较大水平表面积的设计通过限制插入深度，更有效地利用了摆动减少的剪切阻力。基于这些发现，我们提出了一种设计原则，用于根据基质强度和尾部形态来指导尾部动作选择。我们的结果为尾部设计和控制提供了新的见解，以改善机器人在可变形基质上的运动能力，对农业机器人、搜索和救援以及环境探索具有重要意义。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决陆地机器人在可变形颗粒介质（如沙子、泥浆）上运动时，由于复杂的机器人-地形交互作用而导致的运动效率低下的问题。现有方法通常难以有效应对这种复杂环境，导致机器人运动速度慢、能耗高。

核心思路：论文的核心思路是模仿弹涂鱼的尾部摆动行为，通过尾部的主动摆动来液化机器人周围的颗粒介质，从而降低机器人运动时的阻力。这种方法旨在利用尾部摆动改变地形的力学性质，使机器人更容易在其中移动。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1) 构建一个仿生机器人，其外形和运动方式模仿弹涂鱼；2) 设计不同形态的尾部，并实现尾部的摆动控制；3) 在不同的颗粒介质上进行实验，比较不同尾部形态和摆动方式下的机器人运动性能（速度、阻力等）；4) 通过剪切力测量分析尾部摆动对颗粒介质力学性质的影响；5) 基于实验结果，提出一种尾部设计原则，用于指导尾部动作的选择。

关键创新：该研究的关键创新在于：1) 将生物启发方法应用于机器人运动控制，模仿弹涂鱼的尾部摆动行为；2) 揭示了尾部摆动液化颗粒介质，从而降低机器人运动阻力的机制；3) 提出了基于基质强度和尾部形态的尾部动作选择设计原则。与现有方法相比，该方法能够更有效地利用尾部摆动来改善机器人在可变形介质上的运动性能。

关键设计：论文中关键的设计包括：1) 尾部形态的设计，特别是水平表面积的大小，这影响了尾部摆动对颗粒介质的液化效果；2) 尾部摆动的频率和幅度，需要根据基质的性质进行调整；3) 实验中对剪切力的测量，用于分析尾部摆动对颗粒介质力学性质的影响；4) 基于实验数据提出的尾部动作选择原则，该原则考虑了基质强度和尾部形态的影响。

📊 实验亮点

实验结果表明，通过主动摆动尾部，机器人在颗粒介质上的运动速度提高了67%，同时身体阻力降低了46%。剪切力测量揭示了尾部摆动通过液化基质来降低阻力的机制。此外，研究发现尾部形态对摆动策略有显著影响，具有较大水平表面积的尾部设计能更有效地利用摆动减少的剪切阻力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于农业机器人、搜索与救援机器人以及环境探索机器人等领域。通过优化机器人的尾部设计和控制策略，可以提高机器人在复杂地形（如农田、泥泞地、沙地）上的运动能力，使其能够更有效地完成任务。例如，在农业领域，可以用于农作物监测、精准施肥等；在搜索与救援领域，可以用于废墟搜救、灾情评估等；在环境探索领域，可以用于水下勘探、极地考察等。

📄 摘要（原文）

Deformable substrates such as sand and mud present significant challenges for terrestrial robots due to complex robot-terrain interactions. Inspired by mudskippers, amphibious animals that naturally adjust their tail morphology and movement jointly to navigate such environments, we investigate how tail design and control can jointly enhance flipper-driven locomotion on granular media. Using a bio-inspired robot modeled after the mudskipper, we experimentally compared locomotion performance between idle and actively oscillating tail configurations. Tail oscillation increased robot speed by 67% and reduced body drag by 46%. Shear force measurements revealed that this improvement was enabled by tail oscillation fluidizing the substrate, thereby reducing resistance. Additionally, tail morphology strongly influenced the oscillation strategy: designs with larger horizontal surface areas leveraged the oscillation-reduced shear resistance more effectively by limiting insertion depth. Based on these findings, we present a design principle to inform tail action selection based on substrate strength and tail morphology. Our results offer new insights into tail design and control for improving robot locomotion on deformable substrates, with implications for agricultural robotics, search and rescue, and environmental exploration.