大數據文摘出品
來源：IEEE
編譯：馬莉、笪潔瓊
還沒蟑螂高的機器人能幹啥呢？
在ICRA2020國際大會上，來自哈佛大學和科羅拉多大學博爾德分校的Kaushik Jayaram、Jennifer Shum、Samantha Castellanos、E. Farrell Helbling和Robert J. Wood共同發布「縮小比例昆蟲級微型機器人：HAMR-VI到HAMR-Jr」，表明機器人不僅可以達到速度快體積小，而且還會越來越小！
這個機器人究竟是有多快多小，就請和文摘菌一起看看這個硬幣大小的爬蟲機器人吧！
能跑能跳，還能橫著走
科羅拉多大學博爾德分校/哈佛大學保爾森工程與應用科學學院（SEAS）研發的HAMR-Jr僅硬幣大小，是目前最小、最快的昆蟲級機器人之一，每秒可爬行約30釐米。
上次探訪哈佛移動微型機器人（HAMR）是在2018年，儘管當時就有「微型機器人」的新聞，回到現在，就「昆蟲級」機器人看的話，5釐米長3克重的HAMR還是比較大的。
這周在國際機器人自動化大會（ICRA）上，我們看到了HAMR最新版本——HAMR-Jr。它明顯更小巧，重量只有蟑螂的十分之一，和蟑螂的小腿一樣高。
HAMR-Jr即小巧又能幹，它體內的壓電驅動器，會以每秒合計30釐米驅動其爬行，即大約200Hz步頻。
雖然驅動器可以用更快的速度（接近300Hz）工作，但超過200Hz後，機器人實際上會減速，事實已證明200Hz是共振最佳點，可以使機器人的腿部提升和跨步長度兩者達到均衡狀態。
值得一提的是，200Hz的步頻不算慢，即使腿最快的昆蟲也無法企及200Hz步頻。
澳大利亞的虎甲蟲似乎是世界上靠腿爬行最快的昆蟲，當它追逐獵物時速度能達到2.5米/秒，步頻卻只是十幾Hz，這個對比數據是根據同等體積大小的最快昆蟲（最快的速度是以每秒體長來衡量）。
如果像這樣比較的話，那還是加利福尼亞州的一種微小蟎蟲取勝，每秒前行的速度約為200個體長，因為這種蟎蟲極其微小（芝麻粒大小），這估計相當於0.25米/秒；但成年蟎蟲的步頻能達到135Hz，與HAMR-Jr（體型更小）的速度差不多。
昆蟲步頻極限可能是100nhz（微赫茲），當跨過該節點，就需要克服運動神經脈衝和肌肉纖維活性的生物學限制。
昆蟲肌肉同步收縮的最高頻率絕對值為224hz，比如製造蟬聲的澳大利亞蟬的鼓膜肌肉。「同步」一詞指神經脈衝和肌肉需要同時工作，但神經脈衝和肌肉也可以異步工作，異步工作所需的積極協同更少，還能規避一些生物學控制極限。
有些昆蟲利用對抗性的肌肉非同步機制，能使其身體以極高的頻率彎曲，這通常是為給它們的翅膀提供能量。比如吸血蠓運用這種機制：以1046Hz頻率拍打翅膀，這種近似神話的高頻速度，也會嚴重地受到翅膀自身的限制，如果剔除大部分翅膀區域後，剩下部分還能按2200Hz的頻率拍打。
HAMR-Jr目前能小跑、彈跳、跳躍，還能像螃蟹一樣橫著走。當它的有效負荷達到其自身重量（320毫克）時，HAMR-Jr仍然穩定發揮，說明它有能力處理包括電池和傳感器在內的有效負荷。儘管還想給HAMR-Jr減輕體重，但實驗結果表明需要HAMR-Jr的有效負載至少在3.5克。
僅就原始速度而言，較大的HAMR版本同比例縮小造成的最大的性能衝擊可能是質量和慣性降低帶來的HAMR-Jr重心不穩。解決該問題的一種方法是換雙有抓地力的鞋子，還可以調試步頻與最大步長。
前所未有的實驗
「我們能以超過200Hz的頻率驅動HAMR-Jr腿部循環，這個頻率在陸地生物系統裡幾乎前所未有，而且我們沒有高步頻運動動力學實驗的經驗。」——Kaushik Jayaram，科羅拉多大學博爾德分校
關於HAMR-Mini, HAMR-Nano, 和HAMR-Atto的研究情況細節，是與科羅拉多大學博爾德分校的機器人和系統設計副教授、文章第一作者Kaushik Jayaram進行交流後得到的，接下來就以Q&A的方式展現這段令人回味深長的研究過程。
Q:當把HAMR-VI縮小到HAMR-Jr時，你遇到過哪些非常棘手的問題？
A:設計和製造過程是最容易的部分，因為我們不需要改變和調試。所以我們最棘手的挑戰主要是來自組建。比如：我們正在使用接近商用原材料零件的極限，組裝時材料（彈性係數）或幾何特性（厚度）或膠水的微小變化都會對機器人性能產生重大影響。另外，處理微小和易碎零件，需要在顯微鏡下將其組合需要大量的耐心和手指的靈活性。另一件棘手的事情就是確保運動性能，主要是因為200Hz這個頻率，我們之前沒有嘗試過。
Q：機器人所運行的表面會在多大程度上影響它的性能，你能詳細說明一下你在論文中提到的潛在「表面附著機制」嗎？
A:HAMR-Jr的理想的運行表面應該是平整的，有良好的摩擦力，HAMR-Jr的垂直腿部位移大約1毫米，超過1mm的表面凹凸度對它來說具有挑戰。對於更大的表面特性，機器人將需要用「爬」來克服障礙。過去，我們已經展示過消極機制，如像昆蟲一樣的腿部刺毛或像壁虎一樣的粘墊，來增加有效摩擦。我們也展示過積極附著機制，如電附著，它可以通過電調製粘在金屬表面，比如噴氣發動機的內部，或者在非導電的基底上，比如葉子下面。我們將其作為未來研究方向，正在積極探索與研究中。
科羅拉多大學博爾德分校/保爾森工程與應用科學學院（SEAS）。研究人員稱像HAMR-Jr這樣的微型機器人有助於搜救、工業檢查、環境監測和藥物等應用。
Q:開發一個無繫繩的機器人需要哪些方面參與？
A:之前我們已經展示過HAMR-VI（HARM-F）的動力和控制，它攜帶了所有必需的車載電子設備（約1克）和電池（0.33克）。事實上，HAMR-Jr的有效負載容量至少為3.5克。但我們認為電子設備應該可以製造成更小。來自Robert Wood’s lab 的一篇文章顯示，約89毫克的電子器件包就能驅動像RoboBee這樣的微型執行結構機器人，嘗試復現後，我們獲得了一個接近HAMR-Jr重量（約320毫克）的電子器件封裝包（<400毫克），而不需要其它優化，這令人非常興奮！
Q：有哪些原因需要讓HAMR-Jr變得更小？HAMR能夠變到多小？
A：面對現實世界的很多應用，我們希望HAMR-Jr能變得更小、更有能力。具體而言，倒塌建築的碎石裂縫通常只有幾釐米長。與此相似，之前我們與勞斯萊斯合作：在引擎檢測任務中，我們發現商用噴氣發動機的內窺鏡埠直徑為8至12毫米。在機器人手術應用中，限制條件甚至更小，因為最大的動脈只有大約8到10毫米，製造同比例機器人也可以利用他們作為驗證生物學假說的平臺（尤其是關於昆蟲運動）。
我希望未來幾年能看到適應一立方釐米空間的充分自主（動力和控制）、能力更強的HAMR-Jr版本。
Q：您認為像HAMR-Jr這樣的機器人將能用於哪些領域？
A:我認為，未來幾年像HAMR-Jr這樣的微型機器人能產生積極社會影響的四個主要場景是：搜救（機械靈活性）、高價值資產檢查（高度自主性）、環境監測（數量的可擴展性）和藥物（尺寸的可擴展性）
超小型機器人行業一直非常具有市場，尤其是在一些人類無法到達的地方，就可以使用機器人完成高難度的工作，希望未來能有更多像HAMR-Jr這樣的靈活能幹的機器人面世，造福人類！
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https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/hamrjr-is-a-speedy-quadrupedal-robot-the-size-of-a-penny