跳得高、跳得準(zhǔn)，一直是機(jī)器人界的奧林匹克難題。

地球重力像一雙無(wú)形的大手，死死摁住每個(gè)想躍起的機(jī)器人。想跳得高？要么腿力爆棚，要么輕如鴻毛。可即便哈佛的Salto系列把垂直跳躍做到1米多，也基本摸到了物理天花板。再往上，腿就得粗成大象，落地還得摔成餅。

香港理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)最近在《Nature Communications》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，換了個(gè)顛覆性的思路：既然重力摁著我，那我能不能自己把它“關(guān)掉”？

他們?cè)斐鲆慌_(tái)名叫GravOff的雙足機(jī)器人，重370克，跟一罐可樂(lè)差不多。它不跟重力硬剛，而是用四臺(tái)旋翼給自己制造局部低重力環(huán)境，相當(dāng)于在起跳瞬間，把自己扔到了引力只有地球十分之一的小行星上。

結(jié)果也相當(dāng)驚人：

一躍6.9米高（46倍自身身高），翻過(guò)2.35米高墻、跨過(guò)3米寬溪流；

落點(diǎn)精度3.8毫米，比一枚硬幣還薄；

面對(duì)3.5m/s橫風(fēng)干擾，依然穩(wěn)落目標(biāo)區(qū)；

甚至能算好時(shí)間，鉆進(jìn)時(shí)速3.8米的擺動(dòng)窗戶(hù)。

這不是給跳高選手綁個(gè)螺旋槳，而是重新定義了“跳”這個(gè)動(dòng)作。

01.

不靠腿跳，也不是飛，是推出來(lái)的低重力滑行

GravOff最核心的操作，在于它既不是純粹的跳，也不是純粹的飛。

純靠腿跳，比如各種彈簧儲(chǔ)能機(jī)器人，爆發(fā)力猛但不可控，起跳角度偏一度，落點(diǎn)就差半米。純靠飛，比如無(wú)人機(jī)，懸停一小時(shí)能吃掉好幾塊電池，效率太低。

GravOff走的是第三條路，腿負(fù)責(zé)起跳，旋翼負(fù)責(zé)減重。

四條旋翼以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，產(chǎn)生的升力抵消了大部分地球引力。在機(jī)器人自己的參考系里，它感受到的等效重力只有0.1g到0.8g不等，你可以理解為，它一邊跳，一邊給自己開(kāi)了個(gè)重力減弱光環(huán)。

效果立竿見(jiàn)影，在等效重力0.062g（接近冥王星表面）的條件下，GravOff一躍達(dá)到6.9米高度，而起跳速度其實(shí)只有2.85米/秒。如果在地球正常重力下要達(dá)到同樣高度，起跳速度需要11.62米/秒。這已經(jīng)超出了大多數(shù)電機(jī)+腿結(jié)構(gòu)的物理極限。

通過(guò)低重力實(shí)現(xiàn)極限跳躍

更妙的是落地。因?yàn)榈刃е亓Φ停涞厮俣纫驳汀Ｔ?.9米跳測(cè)試中，落地動(dòng)量只有同等高度地球重力跳的25%，摔不壞，自然就不用做太復(fù)雜的緩沖結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)還算了筆能量賬。越過(guò)一張0.73米高的桌子，用“低重力跳躍”模式的總能耗，只有純飛行模式的不到10%，平均功率也低了一截。簡(jiǎn)單說(shuō)，腿給初速度，旋翼維持高度，比全程硬扛著飛省電多了。

02.

不只是跳得高，關(guān)鍵是跳得準(zhǔn)

跳高紀(jì)錄只是開(kāi)胃菜。GravOff另一個(gè)值得關(guān)注的實(shí)力，是它在空中還能調(diào)軌跡，而且調(diào)得極其精準(zhǔn)。

傳統(tǒng)跳跳機(jī)器人一旦離地，命運(yùn)就交給牛頓第二定律，起跳角度、初速度稍微偏一點(diǎn)，落地就不知道偏哪去了。GravOff則用了一套叫 “推力矢量控制+模型預(yù)測(cè)控制（MPC）” 的組合拳。

簡(jiǎn)單說(shuō)，它的四個(gè)旋翼不是固定朝上的，而是可以獨(dú)立傾斜，傾轉(zhuǎn)范圍±30°。在空中，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置與理想拋物線(xiàn)的偏差，然后通過(guò)微調(diào)旋翼傾角和機(jī)體姿態(tài)，把機(jī)器人“推”回預(yù)定軌道。

最關(guān)鍵的是，這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)控制與軌跡控制的解耦。傳統(tǒng)的固定旋翼無(wú)人機(jī)想往前飛，必須低頭；但GravOff可以在保持身體水平的同時(shí)，靠?jī)A斜旋翼向前“飄”。這聽(tīng)起來(lái)像個(gè)小細(xì)節(jié)，但在需要精確落地的場(chǎng)景里至關(guān)重要。

有針對(duì)性地跳躍到受限區(qū)域

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)極限測(cè)試。讓GravOff從-15°預(yù)傾角起跳，升空后突然給一個(gè)+30°的姿態(tài)階躍指令，然后要求它落進(jìn)一個(gè)0.25米×0.25米的方框里。

結(jié)果很理想。

推力矢量模式下，平均落點(diǎn)誤差3.8毫米；

固定旋翼模式下，誤差4.58厘米，差了整整一個(gè)數(shù)量級(jí)；

對(duì)比之前的標(biāo)桿Salto-IP（1.6厘米）、Moobot（1.3厘米），GravOff在更大體型下精度反而更高。

而且這套MPC還能做軌跡預(yù)測(cè)。在每一時(shí)刻，控制器都會(huì)往前推算10步的落點(diǎn)。這意味著，它可以在還沒(méi)落地的時(shí)候，就知道自己大概會(huì)落在哪兒。

03.

落地如貓，主動(dòng)阻尼讓二次彈跳消失

跳得準(zhǔn)還得站得穩(wěn)。很多跳跳機(jī)器人落地像皮球，蹦兩下就出界了。

GravOff的腿上裝了一個(gè)“主動(dòng)阻尼”機(jī)制。在空中下落階段，它會(huì)根據(jù)當(dāng)前高度和速度，提前算好腿的收縮時(shí)機(jī)。觸地的瞬間，雙腿同步收縮，像汽車(chē)懸掛一樣把動(dòng)能一點(diǎn)點(diǎn)吃進(jìn)去。

用于穩(wěn)定無(wú)彈跳著陸的主動(dòng)阻尼

數(shù)據(jù)對(duì)比很直觀。

主動(dòng)阻尼：觸地持續(xù)時(shí)間0.338秒，平均接觸力1.92N（約半倍體重），落地后紋絲不動(dòng)；

被動(dòng)阻尼（純靠材料吸能）：觸地時(shí)間0.17秒，平均接觸力7.56N（約4倍體重），落地后彈飛了0.55米。

在1.35米距離的跳躍任務(wù)中，主動(dòng)阻尼讓GravOff穩(wěn)穩(wěn)落在目標(biāo)框內(nèi)，被動(dòng)阻尼組直接飛出框外。

04.

算準(zhǔn)時(shí)間跳，能鉆進(jìn)3.8米/秒的擺動(dòng)窗戶(hù)

GravOff還有一個(gè)隱藏技能，它能算時(shí)間。

因?yàn)樗奶S軌跡是嚴(yán)格按時(shí)間耦合的拋物線(xiàn)，給定起跳條件和等效重力，任意時(shí)刻的位置和速度都是確定的。這意味著，你可以在起跳前就知道，0.5秒后它會(huì)飛到哪個(gè)點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)利用這個(gè)特性，設(shè)計(jì)了三場(chǎng)穿越障礙測(cè)試：

靜態(tài)窗戶(hù)：0.51米×0.35米的窗口，機(jī)器人穿過(guò)時(shí)誤差1.4厘米（橫向）、2.6厘米（縱向），安全通過(guò)；

旋轉(zhuǎn)窗戶(hù)：窗戶(hù)以100度/秒的速度旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人在-84.3°相位提前起跳，實(shí)際穿過(guò)的相位誤差僅2.7°；

擺動(dòng)窗戶(hù)：窗戶(hù)從1.9米高處釋放，到達(dá)穿越點(diǎn)時(shí)瞬時(shí)速度3.8米/秒，機(jī)器人在60.3°相位起跳，實(shí)際穿越誤差3.9°。

最后一個(gè)任務(wù)尤其苛刻。如果起跳時(shí)機(jī)偏差0.1秒，窗戶(hù)位置會(huì)偏20度，直接撞框。GravOff靠精準(zhǔn)的時(shí)間預(yù)測(cè)和軌跡跟蹤，做到了。

05.

不只會(huì)跳，爬、滾、跳三合一

除了跳，GravOff還集成了一套三模式。

爬行模式：雙腿做交替劃水動(dòng)作，適合松軟地形，如草地、沙地。

輪行模式：解鎖腳上的輪子，靠旋翼推力前進(jìn)，最高速度可達(dá)24倍身長(zhǎng)/秒；

跳躍模式，也就是上文所描述的。

在實(shí)際野外測(cè)試中，它展示了組合運(yùn)用的能力。

先爬過(guò)0.1米高的碎石堆，再躍過(guò)2.35米高墻，隨后落地繼續(xù)爬；輪行接近四步臺(tái)階，可切換跳躍模式逐級(jí)跳上，然后繼續(xù)輪行；沙地+10° 斜坡+淺水混合地形，一次性通過(guò)。

三種運(yùn)動(dòng)模式及其應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

06.

結(jié)語(yǔ)

目前的GravOff，還依賴(lài)室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)提供厘米級(jí)定位，所有的MPC計(jì)算在Matlab上跑完，再無(wú)線(xiàn)發(fā)送指令給機(jī)器人。

團(tuán)隊(duì)在論文里也承認(rèn)，這是下一步要攻克的點(diǎn)，即把定位和計(jì)算搬上板載，用LiDAR做野外環(huán)境的位置反饋。到時(shí)候，它才能真正鉆進(jìn)廢墟、跨過(guò)溝壑，去人類(lèi)進(jìn)不去的危險(xiǎn)地方干活。

不過(guò)，GravOff已經(jīng)展示了一種全新的運(yùn)動(dòng)范式，用推力抵消重力，讓跳躍從爆發(fā)力游戲變成能量管理游戲。

它的意義可能不止于此。這套系統(tǒng)可以作為地外行星跳躍機(jī)器人的設(shè)計(jì)工具，未來(lái)想去月球、火星上蹦跶的機(jī)器人，可以先在地球上找GravOff代練一把。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-68932-0