清華伯克利造出機械小強:承重200萬倍踩不死,跑得和真蟑螂一樣快

打不死的小強，真的是太討厭了！

既然打不死，那……乾脆仿造一個出來，為我所用，豈不是爽歪歪？

還真有人仿造成功了，最新的一期Science Robotics，就發表了這樣一個打不死、壓不扁的小強機器人。外媒IEEE Spectrum在報導時，甚至用了「驚人」（surprisingly）一詞。

這個小強機器人長3釐米，寬1.5釐米，體重0.024克，只有一枚硬幣大小，運行的時候最低只要8V的低電壓。

最大的特點是耐壓，拿100g的砝碼壓住它，拿起來之後毫髮無損，還能繼續淡定的向前跑。

甚至，體重119斤的成年人踩上去，它也照樣可以往前跑，這個承重大約是小強機器人自己的248萬倍。

論載重能力，它還能背著自己體重6倍的東西一起走。

跑起來的速度也相當快，最快每秒可以跑20倍自己的身長的距離。

不只平地運動，還可以爬7.5度傾斜的坡。

因此，這款體型嬌小而健壯、運動機能全面的小強機器人，最適合的應用場景怕不是深入狹窄的縫隙，進行一線調查工作？

本文的一作吳一川也這麼覺得，他說：「如果發生了地震，大型機械、大型犬很難在廢墟下找到生命，因此我們需要一個敏捷而健壯的小型機器人。」

甚至還有網友覺得，很快這種機器人就會安裝上間諜軟體，悄悄潛入人們身邊了。

還有人覺得，這種機械蟑螂可能和真的蟑螂一樣可怕：它們只要找到你家的門在哪兒，人類就完蛋了。

小強的結構

小強機器人的核心組成是一個略微彎曲的「甲殼」和前面甲殼下的腿。

從顯微鏡圖像來看，甲殼部分有5層，從上到下依次是:

50nm Pd/Au電極18μm厚的PVDF層50nm Pd/Au電極25μm的矽粘合劑25μm的PET材料

PVDF是一種壓電材料，給它兩端加上電壓後就會收縮或膨脹。因此，當給PVDF加上交流電的時候，它就會反覆在彎曲和伸直的狀態之間變化，這樣甲殼的形狀也就隨之變化，被賦予了彈跳運動能力。

所以，當小強機器人跑起來的時候，它的甲殼是在不斷彎折的，以直-彎-直-彎……這樣循環變化彈跳運動。

另外的一個核心部分是小強的前腿，它支撐小強身體，彈跳的時候也要靠腿來落地支撐。

在彈跳的過程中，為了保證小強機器人儘量向前運動，研究者們把前腿稍微往後「掰」了一下，保證前腿和下半身軀幹之間的角度小於90°。

拆解「小強」運動過程

這樣一片身材小小、體態薄薄的機器人，是如何完成跑步、爬坡和負重任務的？

在論文Insect-scale fast moving and ultrarobust soft robot中，研究人員解釋了小強機器人的運動原理。

具體的運動狀態，研究者們用60V、200Hz的正弦交流電做了演示。

這張圖是小強機器人經過了20個周期的運動後平均出來的幾個核心的數據。

黑色的是驅動信號，也就是正弦交流電的波形圖，因為用的是200Hz的交流電，一個周期也就是5ms；

紅色是一個周期內小強機器人前進的距離，大約不到0.4毫米。注意，因為這裡的電壓最高只有60V，所以達不到每秒20倍體長的最高運動速度。

藍色則是小強機器人脊背的高度變化，隨著電壓波動，在電壓為-60V、0V、60V、0V這四個時間點上（也就是圖上的I、II、III、IV），小強一直在變化自己的身姿，脊背的高度也在隨著波形變化；而當一個周期結束，電壓回到-60V的時候（也就是圖上的V），小強的姿勢也回到了最初狀態。

如果將小強機器人運動中的脊背高度變化拉長，拉到和生物界中真的小強一樣的運動周期50毫秒，會發現兩者的脊背高度波動幾乎是重合的。

受到電壓影響，小強機器人共有四種姿態，分別為騰空態（aerial），II前觸態（front-touching），後觸態（back-touching）和III雙觸態（both-touching）。

這四個狀態連在一起，構成機器人一個步態周期，從肉眼上看，就是機器人向前跑了一步。

來看高速攝像機下的小強機器人，從A到D分別為上述四種姿態，以及其身體受力分析：

其中，灰色虛線表示此前的形狀，紅色表示的時當前的形狀，G代表重力，Ff代表前腿的地面反作用力，Fa表示腹部末端的地面反作用力。

完成一次跑步動作的周期是5毫秒，頻率為200Hz。跑步的過程還有一個騰空的階段。

那麼，小強機器人如何完成每秒前進相當於20個自身長度的距離？

研究人員先繪製了不同動物體重（橫軸）運動速度（縱軸）的分布圖，來看一下：

其中紫色區域代表哺乳動物，橙色區域代表節肢動物，藍色區域代表不同軟體機器人的與體重的相對運行速度。

從這個大趨勢中可以看出，對於哺乳動物來說，體重越小速度大多數就越快，但對於軟體機器人來說這個規律恰好相反，體重減小、但速度也隨之變慢。

知道了大規律之後，研究人員開始對小強機器人進行一系列的優化，圖中紅色五角星就為預設的優化策略。

因為機器人的運行速度與諧振頻率正相關，因此這個小型機器人可在較高的諧振頻率下運行獲得更快的相對速度。

研究人員表示，雖然一些由磁場、溼度、熱源或光源驅動的軟體機器人的瞬時運行速度可以很快，但其響應速度較慢，其動力裝置也比較笨重，因此放棄了這些探索。

最後，看一下小強機器人在爬坡和負重環境下的表現。

論文顯示，它可以承受自身體重100萬倍的重量，約60公斤，並且還能以正常速度的一半繼續向前爬行。

即使攀爬15度的斜坡，仍範能以每秒一個體長的速度前進。

甚至，還能當小小搬運工，比如攜帶一顆是自身重量6倍的花生：

達不到完美

不過，這個小強機器人還有很多可優化的空間。

一是目前還不太自由，小強機器人需要被拴在一根細電線上。研究小組正在嘗試為機器人添加一塊電池，這樣不需電線就可以直接行走了。

二是小強機器人目前還無法自主避障，研究人員表示，正在嘗試增加氣體傳感器，也在改進小強機器人的設計，使其最終能夠跨越障礙物。

不過，無論是增加電池還是增加氣體傳感器，對於一般體型的機器人來說可能不是件難事，但若要將這兩種裝置安裝在一塊如此輕薄、耐踩的機器人身上，還是一項巨大的挑戰。

清華+伯克利出品

這篇論文來自清華大學和加州大學伯克利分校，作者共有13人。

一作Yichuan Wu，本名吳一川，是一位中國人，目前是清華-伯克利深圳學院（TBSI）的在讀博士生。

吳一川本科畢業於中國農業大學機械工程專業，碩士畢業於清華大學機械工業專業，主要研究領域為計算機數字控制系統。

△ Yichuan Wu，來自Google Scholar

讀博期間，吳同學的研究方向為柔性傳感器和制動器，師從UC伯克利機械工程系教授、伯克利傳感器和執行器中心主任林立偉教授，林立偉也是本文的通訊作者。

△ 圖來自百度百科

此外，作者團隊中還包括UC伯克利電子工程與計算機科學系的Justin K. Yim, 清華-伯克利深圳學院的Jiaming Liang、Xiaohao Wang，UC伯克利傳感器和制動器中心的Zhichun Shao， Mingjing Qi， Junwen Zhong， Zihao Luo等。

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