打不死的小強(qiáng)機(jī)器人來(lái)了，向心加速度堪比獵豹，能抵抗自身數(shù)百倍

撰文：劉芳編審：王新凱

在卡夫卡的《變形記》里，推銷員格里高爾某天早上醒來(lái)后變成了一只大甲蟲(chóng)。他由此遭到了家人和社會(huì)的唾棄，郁郁而終。如果卡夫卡今天還在的話，他可能要為自己的小說(shuō)重寫一下續(xù)集了。因?yàn)閷?duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，昆蟲(chóng)是他們制作微型仿生機(jī)器人最大的靈感來(lái)源之一。

前不久，加州大學(xué)伯克利分校 (University of California，Berkeley) 的科學(xué)家們以昆蟲(chóng)的粘性腳掌為靈感，成功創(chuàng)造出一個(gè)具有高度靈敏性的小型軟體機(jī)器人。它能夠輕松地在各種復(fù)雜環(huán)境中穿梭，可以像獵豹一樣敏捷地轉(zhuǎn)向從而迅速避開(kāi)意想不到的障礙物。更厲害的是，它可以在被一個(gè) 55 公斤的人類踩在腳下時(shí)幸存下來(lái)，就像一只打不死的小強(qiáng)。

（來(lái)源：berkeley）

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這款機(jī)器人可在災(zāi)難性事件發(fā)生后，通過(guò)在廢墟中攜帶傳感器，像蟑螂一樣快速移動(dòng)，并在搜救行動(dòng)中記錄和傳輸有價(jià)值的信息。

該研究論文以 Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control 為題，發(fā)表在近期的 Science Robotics 上。

速度與控制的完美結(jié)合

在 2019 年的一篇論文中，該研究團(tuán)隊(duì)就曾展示過(guò)一種類似小強(qiáng)的機(jī)器人，它可以以每秒 20 個(gè)身體長(zhǎng)度 (約合每小時(shí) 1.5 英里) 的速度在平坦的表面上疾馳而過(guò)，相當(dāng)于真的蟑螂可以達(dá)到的速度，也是目前像昆蟲(chóng)一樣的仿生機(jī)器人中最快的速度。

加州大學(xué)伯克利分校 (UC Berkeley) 機(jī)械工程教授林立偉 (Liwei Lin) 說(shuō)，“ 我們最初的機(jī)器人可以非常迅速地移動(dòng)，但卻無(wú)法控制它是向左還是向右轉(zhuǎn)。而且很多時(shí)候它會(huì)隨機(jī)移動(dòng)，因?yàn)槿绻圃爝^(guò)程中有微小的不同導(dǎo)致機(jī)器人不對(duì)稱的話，它就會(huì)轉(zhuǎn)向一邊?！?br /> 因此在今年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)著升級(jí)版的 “小強(qiáng)機(jī)器人” 回來(lái)了。

（來(lái)源：berkeley）

在最新研究中，研究小組在機(jī)器人上增加了兩個(gè)靜電腳掌。這個(gè)想法來(lái)自于許多昆蟲(chóng)的粘性腳掌。正如《變形記》所描述的一樣，它們可以迅速爬上墻壁，倒在天花板上行走，從而在沒(méi)有人敢去的地方粘附在表面上。

研究小組通過(guò)一根小電線實(shí)現(xiàn)供電和控制，展示機(jī)器人的大部分技能。論文稱，對(duì) “小強(qiáng)機(jī)器人” 的任何一個(gè)腳掌施加電壓都會(huì)增加其和表面之間的靜電，從而使機(jī)器人的腳掌更牢固地粘在表面上，并迫使機(jī)器人的其余部分繞這只腳旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)腳掌使研究人員可以完全控制機(jī)器人的軌跡，并允許機(jī)器人以超過(guò)大多數(shù)昆蟲(chóng)的向心加速度轉(zhuǎn)彎。

機(jī)器人主體由彎曲的單晶片壓電薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且除了帶電線的版本以外，團(tuán)隊(duì)還嘗試了用電池來(lái)供電的版本。

圖 | 向心加速度堪比獵豹

圖 | 迷宮實(shí)驗(yàn)

為了展示機(jī)器人的敏捷性， 研究團(tuán)隊(duì)拍攝了帶線機(jī)器人在樂(lè)高迷宮中行走的過(guò)程。這個(gè)帶著腳墊的小家伙體型為 3 厘米乘 1.5 厘米、體重為 65 毫克。它穿過(guò) 120 厘米長(zhǎng)的迷宮僅僅耗時(shí) 5.6 秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般昆蟲(chóng)的水平。不僅如此，這兩個(gè)小腳墊還讓機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時(shí)有著非凡的向心加速度。在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，它的向心加速度達(dá)到了 28BL/S2，和獵豹幾乎相同。

打不死的小強(qiáng)

史上最快的速度和向心加速度還并不能滿足研究人員的好奇心。研究人員希望進(jìn)一步研究這款仿生機(jī)器人的穩(wěn)健性和抗擊打能力。于是，正如《卡夫卡》小說(shuō)中描寫的那樣，研究人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了 “無(wú)情” 的碾壓。

首先，研究團(tuán)隊(duì)將一個(gè)比機(jī)器人本身重 200 倍的盒子從離地面 50 厘米處扔下，擊中了 “小強(qiáng)機(jī)器人”。在被盒子整個(gè)壓扁以后，“打不死的小強(qiáng)” 在短短 40 毫秒內(nèi)迅速恢復(fù)。研究人員表示，雖然在它的移動(dòng)方向發(fā)生了變化，但相對(duì)速度保持在 7.7 BL/s 沒(méi)有減弱。
不僅如此，某位體重為 55.3 公斤的研究人員還直接將腳踩在了這款機(jī)器人身上，即使這樣也沒(méi)能摧毀它強(qiáng)勁的 “生命力”。
另一項(xiàng)測(cè)試表明，帶著小腳墊的 “小強(qiáng)機(jī)器人” 可以在 0.29 秒內(nèi)爬上 2.4 毫米高的臺(tái)階（大約是機(jī)器人高度的一半）來(lái)越過(guò)小障礙物。

圖 | 研究人員將腳踩在了機(jī)器人上

為了進(jìn)一步研究 “小強(qiáng)機(jī)器人” 在實(shí)際生活中的應(yīng)用，研究人員在機(jī)器人上增加了一個(gè)商用的 180-mg 氣體傳感器。它比機(jī)器人重約 2.8 倍，以檢測(cè)氣體泄漏 。之后，團(tuán)隊(duì)用樂(lè)高積木制稱了一個(gè)管道，其中有一個(gè)指定的乙醇?xì)怏w泄漏點(diǎn)。攜帶氣體傳感器的機(jī)器人可以通過(guò)九個(gè)臨時(shí)?？奎c(diǎn)（每個(gè)停靠點(diǎn) 60 秒）完成設(shè)計(jì)的路線，以記錄氣體濃度路線圖。
研究人員表示，這項(xiàng)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了 “小強(qiáng)機(jī)器人” 在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵能力，包括但不限于連接氣體傳感器以進(jìn)行危險(xiǎn)的氣體檢測(cè)任務(wù)，以及連接其他傳感器和攝像頭以實(shí)現(xiàn)傳感和監(jiān)視功能。

不受限制的無(wú)電線版本
除了帶線版本的 “小強(qiáng)機(jī)器人” 外，這款仿生軟體機(jī)器人還配有無(wú)繩版本。
它的體型為 2.4 厘米乘 2.2 厘米，體重為 240 毫克，有效載荷為 1.66 克，包括電池和兩個(gè)光電傳感器，以及一塊柔性電路板。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)沒(méi)有攜帶任何有效載荷的無(wú)線機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)速度為 3.4 BL/s。在背上 1.66 g 載荷時(shí)，其速度下降為 1.2 BL/s。在載荷為 2.5 g 時(shí)速度進(jìn)一步降低到 0.4 BL/s。
而且受昆蟲(chóng)觸角導(dǎo)航和畏光行為的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)光敏電阻通過(guò)模擬控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能，進(jìn)行光誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)控制，可以在 36.9 秒內(nèi)完成一條指定的 27.9 厘米長(zhǎng)的 “S” 形路徑。在攜帶氣體傳感器工作的情況下，無(wú)線版本的機(jī)器人可依靠電池工作 19 分 31 秒。

圖 | 各種動(dòng)物體型加速度和該機(jī)器人的對(duì)比

加州大學(xué)伯克利分校的機(jī)械工程教授林立偉（Liwei Lin）說(shuō)：“如今最大的挑戰(zhàn)之一，是制造能匹配大型機(jī)器人動(dòng)力和控制力的小型機(jī)器人。對(duì)于大型機(jī)器人來(lái)說(shuō)，裝載大號(hào)電池和控制系統(tǒng)很簡(jiǎn)單。但是當(dāng)試著把機(jī)器人各部件不斷縮小尺寸時(shí)，這些設(shè)備對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)就變得很難攜帶，會(huì)使機(jī)器人移動(dòng)得非常緩慢?！?/p>

相信隨著 “小強(qiáng)機(jī)器人” 的出現(xiàn)，人類在昆蟲(chóng)類仿生機(jī)器人的道路上又邁進(jìn)了一步?！按虿凰赖男?qiáng)” 會(huì)繼續(xù)給科學(xué)家們帶來(lái)源源不斷的靈感和力量。

參考資料： https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe7906
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