跑得快,打不死!清華大學開發「小強」機器人,壯漢狂踩也擋不住前進...

　　大數據文摘編輯部出品

　　提到蟑螂，很多同學都深惡痛絕。

　　這種身型小巧的蟲子不僅跑得快、繁殖能力強，而且超級抗打抗壓，在所有的環境下都能頑強地生存下去。

　　12mm高的蟑螂可以躲進4mm的縫隙

　　也難怪周星馳在自己的電影裡，把蟑螂稱為「打不死的小強」。

　　但想像一下，如果你擁有一支跑的又快、伸縮自如的蟑螂大軍，徵服宇宙或許都不再是夢想！

　　近日，清華大學和加州大學伯克利分校的研究人員就研製了一款像極了「小強」的新型軟體機器人，不僅運動速度很快，而且真的像一隻打不死的小強一樣，比我們以前見過的任何機器人都更加「抗造」。

　　從外形上看，這個機器人就像一張彎曲的紙條。但是它能以每秒20個身長的速度移動。

　　更值得一提的是，在被一個重近60kg的成年人踩到後，這隻機器人依然可以繼續運動。

　　此外，這隻機器人還能爬上坡度為15度的陡坡，以及扛著自身重量6倍的花生穩定前進。

　　這一研究日前也登上了最新的 Science Robotics(科學機器人)雜誌。

　　論文的通訊作者是清華國家智能技術實驗室副教授張敏，同時也是清華大學天工智能計算研究中心的成員。團隊其他成員來自北京航空航天大學和加州大學伯克利分校，可謂是強強聯手、精英薈萃。

　　附上論文連結：

　　https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax1594

　　解剖「小強」，更高的速度和強大的抗壓能力

　　這款「蟑螂「機器人只有3x1.5釐米， 需要用掃描電子顯微鏡才能看到機器人是什麼結構。

　　在顯微鏡下，可以看到這款機器人包括一個18微米厚的聚偏氟乙烯層，兩個50納米厚的鈀(Pd) / 金(Au)電極(聚偏氟乙烯膜的頂部和底部) ，一個25微米厚的粘合性矽樹脂，和一個25微米厚的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板。

　　而這款機器人運動的方式就更加奇特了。利用交流電壓（低至8伏，但通常約為60伏）穿過電極時熱塑性塑料的伸展和收縮，從而使機器人向後彎曲並且「小步幅」的走動，完整的一個步進周期僅需50毫秒。

　　機器人的「運行」還有一個短暫的"騰空"階段。

　　來自高速攝像機的照片顯示機器人的步態（A到D），它收縮並伸展其身體

　　而在穩定可靠方面，相比蟑螂可以承受900倍於自身體重的負荷而不受傷害，這款軟體機器人可以在被一個成年人(59.5公斤)踩上之後，繼續工作(只有原來速度的一半) ，這個負載大約是它自身體重的100萬倍！

　　研究人員對這樣的表現還不是很滿意，於是準備再給「小強」加一條腿。

　　兩條腿的「小強」可以模擬飛馳式的步態，就像獵豹一樣可以拱起背部以增加步長和利用儲存的彈性能量。

　　利用了這種更有效的飛馳式步態機制，兩足機器人在類似驅動條件下的跑步速度是單足機器人的3倍。根據高速攝像機拍攝的步態，雙腿機器人的空中佔空比（75%） 比單足機器人（51%）提高了24%，從而提高了運行速度。

　　與動物類似，質量越大相對速度越慢

　　無論是對於哺乳動物還是昆蟲而言，大家的直觀感受都是體重越大，跑的越慢，這裡跑的慢是指每秒行進的自身體長數更少，事實也是如此。

　　圖中顯示了一些哺乳動物（紫色區域）、節肢動物（粉色區域）相對於體重的運行速度，紫色區域和粉色區域，體重與相對運動速度呈負相關，即相對於哺乳動物和節肢動物，隨著體重的增加，相對速度會降低。

　　而對於軟機器人而言（藍色區域）這種關係似乎正好相反：隨著體重的增加，相對速度會逐漸提高，而隨著體重的減少，速度會降低，這主要是因為機器人需要一定質量的零部件來支持運動。

　　而由清華大學和加州大學伯克利分校研製的這款小型軟機器人，the scaling law （速度相對於體重的變化定律）則與哺乳動物達到了一致：隨著體重的減少，相對速度越大（圖中紅星所示）。

　　這主要是因為這款機器人的相對運行速度與共振頻率呈正相關，所以在更高的共振頻率下運行可獲得更高的相對運行速度，所以結構簡單，無冗餘耗能部件的「小強」，工作效率更高。

　　儘管一些由磁場、溼度、熱源或光源驅動的軟機器人可以擁有快速的瞬時速度，但是反應緩慢以及需要外部電源等龐大設備，以及磁場，都限制了它們的速度。

　　再仔細觀察上面的圖表，會發現一個很有意思的事情，數字39就在那張圖表上（左上角），這是1916年在加利福尼亞州的一塊巖石下發現的一種微小的蟎蟲。蟎蟲的大小不到1毫米 ，但它可以以每小時0.8公裡的速度運行，即每秒322個身體長度，使它成為地球上相對於大小最快的陸地動物（至少兩倍）。

　　想像一下，如果我們人類擁有相同的速度體重比，我們將以每小時超過2,000公裡的速度運動，成為新一代的"超人"，但這終歸只針對昆蟲，左上角的幾乎所有東西都是昆蟲，質量減小運動反而更加有利。

　　其他小型機器人

　　最近幾年，對於小型機器人的研究越來越多了。

　　比如，來自UMD的磁力驅動的四足機器人，腿部由外部磁場控制，外部磁場作用於嵌入機器人臀部的微小立方體磁鐵。磁場的變化影響著磁鐵的變化，使得這款機器人能以高達150赫茲的速度驅動支腿。

　　通過將同方向的磁鐵安裝到臀部就可以實現一個步態，只要稍稍改變磁鐵方向，即可實現步態的變化。

　　UMD磁力驅動四足機器人與螞蟻對比

　　相關連結：

　　https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/four-legged-walking-robot-is-smaller-than-an-ants-face

　　還有加州大學伯克利分校的X2-VelociRoACH，它僅重54克，但X2-VelociRoACH以每秒4.9米（17.6公裡/小時，或11英裡/小時）的速度可持續運行，是迄今為止最快的腿式機器人，一眨眼功夫就會看不見蹤影。通過將其步幅頻率推向極值，研究人員探索並實現了有腿機器人能達到的最大速度。

　　有腿的動物有兩種不同的增速方法：要麼增加它們的步幅頻率（邁得更快），要麼增加它們的步幅（邁得更遠）

　　相關連結：

　　https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/icra-2015-x2velociroach-smashes-speed-record-for-tiny-legged-robots

　　為什麼軟體機器人備受青睞？

　　這款「小強」軟體機器人構造簡單、成本低、靈活自如，還能夠利用其獨特的設計和構造來移動並與環境交互。同時，因為沒有剛性部件的限制，可以承受其他類型機器人無法承受的「摧殘」，非常耐用。

　　這樣的軟體機器人速度又快，又能載重，穩定性還好，潛在的應用場景也相當廣泛。

　　比如，瑞士的聯邦理工學院（EPFL）開發了一種具有敏感抓地力的機器人，它可以靈活地抓起一隻雞蛋，或者拿起一張紙，也可以舉起比自身重8倍的重物。這個機器的手指都是由矽膠製成，其中嵌入了兩種不同類型的電極 ：一種能夠彎曲手指以適應物體形狀；另一種使手指用電粘附物體，這和氣球經過頭髮摩擦後能黏在牆上的原理相同。

　　早在2016年，加利福尼亞大學伯克利分校的科學家就曾模仿蟑螂研發過軟體機器人Roboroach，它能夠壓縮自身使身體變得平坦，縮到只有正常高度的四分之一。這種帶傳感器的扁平機器人尚在研發，有望在倒塌的建築物瓦礫中進行工作。

　　相較於笨重的傳統機器人，軟體機器人在處理精細動作方面大有優勢。比如，模仿章魚觸手製成的軟體機器人可以用於外科手術。事實上，大多數軟體機器人模仿的是無脊椎動物和昆蟲，由於有機矽和其他可彎曲材料的進步，這些機器人可以使用、展開、扭曲觸手，並且能夠從不同角度抓取物品，從而更好地適應環境。

本文首發於微信公眾號：大數據文摘。文章內容屬作者個人觀點，不代表和訊網立場。投資者據此操作，風險請自擔。

（責任編輯：王治強 HF013）