大家好！机械智能，看看科学家们如何用超可编程关节来编码它，让机器人变得更厉害！在自然界，动物们身体的精妙构造让它们能轻松完成各种高难度动作，这背后就是 “具身智能” 在起作用。但对机器人来说，拥有像动物一样智能的身体可不容易，不过现在有了新突破，那就是弹性滚动凸轮（ERC），它就像给机器人身体赋予了神奇魔力。
*本文只做阅读笔记分享*
一、ERC工作原理揭秘
咱们先来看看ERC是怎么工作的。它由一对带弹簧的凸轮组成，相互滚动实现转动。在转动过程中，凸轮的特殊形状会改变弹簧的长度和力臂，让弹簧存储的弹性能量发生变化，最终产生不同的转动刚度响应。简单来说，它能根据设计，像变魔术一样提供各种奇特的刚度变化，为机器人运动打下基础。
二、ERC 设计框架大公开
ERC 能这么厉害，关键在于它独特的设计框架。要设计 ERC，得从目标刚度响应出发。
这个过程需要两个重要信息：一个是目标扭矩响应，另一个是弹簧参数。我们可以把它想象成挑选合适的零件来组装一台超级机器。选好参数后，通过一种离散数值方法，就能一步步画出凸轮的形状。
而且，为了保证设计准确，还有安全系数来把关，就像给机器加上了保护罩。有了这个设计框架，ERC 就能实现超精准的编程。
三、刚度可编程性大展示
为了验证 ERC 的实力，科学家们制造了 6 种不同刚度响应的 ERC 原型。这些原型能模拟很多有趣的力学响应，比如超弹性响应，在不同情况下能灵活改变刚度；还有像机器学习里常用的 ReLU 函数响应，是不是很神奇？经过测试，虽然实际和设计有点小偏差，但整体上 ERC 能很好地实现预设的刚度响应，这说明它在刚度可编程性方面真的很靠谱。
四、ERC 的超能力——可扩展性
ERC 还有个超厉害的能力，就是可扩展性。它的大小可以根据需求调整，能变大变小。通过选择不同长度和张力的弹簧，就能设计出不同尺寸的 ERC。从毫米级的微型机器人，到厘米级的常规机器人，都能使用。毫米级的 ERC 甚至能用橡胶带和凯夫拉纤维来模拟弹簧，虽然小尺寸的它因为制造和摩擦等问题，扭矩响应没那么精准，但这也证明了它在不同尺度机器人上应用的潜力。
五、助力双足机器人稳健行走
现在，让我们看看 ERC 在双足机器人上的精彩表现。传统双足机器人稳定性差、适应性弱，就像刚学走路的小朋友，容易摔倒。但装上 ERC 膝盖关节后，一切都不一样啦！通过遗传算法优化膝盖的刚度参数，机器人能在各种复杂情况下稳定行走，不管是不同频率和幅度的驱动，还是跨越台阶，都不在话下。而且，它的能量效率超高，接近动物水平，行走速度还能通过调整髋关节驱动频率来控制，就像给机器人装上了智能大脑。
六、让无人机灵活变形
除了双足机器人，ERC 在无人机领域也大显身手。研究人员设计了一种能被动双态变形的无人机，关键就在于 ERC 的双稳态肘关节。当无人机受到外部撞击时，它能像变形金刚一样，在标准方形和窄缩形状之间切换。窄缩状态能让无人机轻松穿过狭窄通道，方形状态则能提高飞行效率。而且，这种变形不需要额外的传感器和控制器，完全依靠 ERC 的神奇特性，是不是超酷？
七、ERC 的隐藏技能——侧向柔顺性
ERC 还有个隐藏技能 —— 侧向柔顺性，这对软机器人来说太重要啦！就像人的关节一样，在主自由度运动之外，还能有一定的侧向活动空间。ERC 通过弹簧张力实现侧向稳定，当受到侧向扭矩时，它能像智能减震器一样，在高刚度和低刚度之间切换，既能保证正常情况下的稳定性，又能在受到较大外力时提供柔性缓冲，减少冲击伤害，就像给机器人穿上了柔软又坚固的防护服。
八、总结与展望
今天我们见识了 ERC 的神奇之处，它就像一把万能钥匙，为机器人实现具身智能打开了新大门。通过精准编程复杂的转动刚度，它能让机器人在各种任务中表现出色。不过，ERC 也还有一些挑战，比如不同尺度的制造问题，还有使用非线性力生成装置的探索。但相信在科学家们的努力下，未来它会让机器人变得更加智能、强大！今天的分享就到这里，咱们下次再见！
九、一起来做做题吧
1、关于弹性滚动凸轮（ERC）的工作原理，下列说法正确的是（ ）
A. 通过改变电机功率实现转动刚度变化
B. 由一对带齿轮的圆盘相互作用实现运动
C. 利用凸轮滚动改变弹簧长度和力臂，产生可变转动刚度
D. 依靠磁性材料的相互作用提供动
2、在 ERC 的设计框架中，进行逆设计时需要的输入是（ ）
A. 预设的运动轨迹和电机参数
B. 参数化的目标扭矩响应和弹簧参数
C. 机器人的整体尺寸和重量
D. 预期的能量消耗和速度要求
3、为了验证 ERC 设计的有效性，制造的原型中不包括以下哪种响应（ ）
A. 超弹性响应
B. 线性增长响应
C. 指数二极管响应
D. 双稳态机器人关节响应
4、在双足机器人的实验中，优化后的 ERC 膝关节能使机器人（ ）
A. 仅在平坦地面稳定行走
B. 以固定频率和幅度行走
C. 实现稳定、高效且适应多种情况的行走
D. 不需要髋关节的驱
5、关于双稳态变形无人机，下列说法错误的是（ ）
A. 依靠外部撞击实现形态切换
B. 切换形态需要额外的传感器反馈信息
C. 形态切换能帮助其通过狭窄通道
D. 双稳态 ERC 响应有助于防止形态切换时的振荡
参考文献：
Rui Wu et al. Encoding mechanical intelligence using ultra-programmable joints. Sci. Adv.11, eadv2052(2025).
