加入摺紙和軟體的技術，微型昆蟲機器人讓人眼前一亮

我們經常在一些科幻電影中看到某些人放出一些小昆蟲去監視別人，而這些小昆蟲並不是我們平時說的小昆蟲，而是機器人昆蟲。

這些機器人昆蟲不僅可以監視別人，甚至可以在必要的時候產生爆炸，或者攻擊別人，而且速度非常快，一般人很難抓住它們。

但是這些畢竟是科幻電影中的產物，那麼現實生活中到底有沒有這種機器人昆蟲呢？

答案是肯定的，而且機器人昆蟲也即將要成為現實。其實機器人昆蟲一直以來科學家們想去入手的對象，畢竟它們個頭小，能從很狹小的縫隙裡穿過；而且由於非常小的原因，也容易被發現，適合執行一些特別的任務。

仿生機器人一直都是研究的熱點，近期科學家將注意力轉向了昆蟲仿生設計。

如果根據昆蟲微小的腦結構，發明一種在複雜條件下，依舊運動自如的機器人，這個機器人不僅能夠完成定向動作，還可以像昆蟲一樣，具備超強的導航和生存能力，那麼它們就可以勝任很多技術含量較高的任務，可以為人類的生活提供巨大的便利

摺紙+軟體+模塊化設計的SMoLBot

在一個題為「我為什麼要製造米粒大小的機器人」的演講中，演講者 Sarah Bergbreiter 教授用這麼幾句話闡述了研究微型機器人的意義：「可以想像一下地震等自然災害過後，斷壁殘垣，這些小機器人穿梭在廢墟中，尋找生還者的畫面。

或者想像一下，當一個微型機器人能在你的血液中遊動，替醫生檢查，排除病灶，也許醫生不再需要開刀就能利用機器人替你手術……」。

TED講座中硬幣大小的微型機器人

總的來說，和大家常見的常規尺寸機器人相比（例如機械狗，人形機器人等），微型機器人製造成本更低廉，結構更簡易，運動更靈巧。

它非常適合例如檢測，搜救等對於空間有著需求的應用場景。

高度的可操控性，穩健的運動能力以及表面適應能力讓微型機器人可以通過極為狹小的空間，或者是在複雜的環境中進行一些搜索。

下圖是一些常見的微型機器人，他們分別是：來自MIT的Self-folding robot， 來自EPFL的Alice mobile robot，來自Harvard的HAMR，以及來自UC Berkeley的DASH。

比較常見的一些微型機器人

小編最近看到一篇關於微型機器人的文章，文章中介紹了一款融合了摺紙的技術，軟體機器人技術（soft robotics）以及模塊化設計的 SMoLBot 微型機器人。

SMoLBot 是由土耳其的畢爾肯大學的研究團隊開發研發的，於今年的7月份發表於國際機器人期刊《IEEE機器人與自動化通訊》上。

SMoLBot 機器人結構精巧迷你，外型簡易，它動起來仿佛就像一隻機械的昆蟲。

模塊化設計的 SMoLBot 身體由多個具有相同或者相似功能的模塊組成，根據不同的應用場景，可以選擇2個模塊或是3個模塊，模塊和模塊之間由柔性或者剛性的「仿生脊柱」 （PDMS材料）來接通。

雙模塊和三模塊設計的SMoLBot

SMoLBot 的這種模塊化設計讓微型機器人的加工方式變得簡單快捷而且價格低廉，另外，當某一個模塊發生故障時，更換修理機器人也變得極其方便。

每一個小模塊包含一個「身體部分」和兩條獨立控制的「機械腿」，在身體內部囊括了小型控制板（Atmega-328P），兩個直流電機（微型行星齒輪減速電機），一塊微型電池（3.7V, 150mAh Li-Po電池），以及兩個機械鎖扣結構。

每一個模塊的框架結構由「摺紙設計」切割組合而成。

SMoLBot的單個模塊

我們先來欣賞一下SMoLBot靈巧的運動展示，在第二部分會為大家介紹它的結構設計，以及論文中提及的一些對於它行走能力的簡單測試。

雙模塊行走展示—硬軟脊柱對比

三模塊行走展示——硬軟脊柱對比

轉彎步態展示

雙模塊——粗糙地面行走

三模塊——粗糙地面行走

SMoLbot結構設計以及測試

SMoLBot 的身體模塊是用厚度為100微米的「醋酸纖維素紙」切割成的，這是一種在微型摺疊機器人中非常常用的材料。

為了增加結構的強度，研究者利用了了T摺疊結構和鎖扣固定結構來作為構建身體模塊的主要結構。

當身體模塊按照設計好的摺疊之後，內部留好了相應的空間，可以依次地擺入電池，脊柱連接件，電機，以及控制板等零件，將空間的利用率最大化。

可以直接切割，拼裝的摺紙結構組成它的身體

研究者們設計了一種「易拆易安裝」的連接結構嵌入到身體模塊中。

脊柱的模具是3D列印的，通過改變模具的形狀設計，可以得到不同形狀的脊柱，利用不同材料進行鑄造可以得到不同強度的脊柱。

在這裡，研究者選用了 PDMS 材料，利用不同的材料配比得到了不同硬度的脊柱模型。

柔性和剛性的模塊化「仿生脊柱」

SMoLBot 的機械腿採用了一個非常經典的「四連杆」機械的結構設計。

每一根杆的長度和位置都得到了優化，B 點作為電機的放置位置，E點是足端軌跡輸出點。

當電機連續旋轉時，足端可以輸出一個為橢圓形的連續軌跡，這種軌跡能夠最大化的接觸地面，同時又會有周期性的抬起，從而滿足了微型機器人的腿部運動的要求。

對於雙模塊四足 SMoLBot，研究者採用了一種對角小跑的步態設計，即對角的腿有著相同的運動相位，另外兩側的腿有著180°的相位差。對於三模塊 SMoLBot 來說，第三個模塊和第一個模塊有著相同的相位。

機械腿的運動軌跡和步態信號

研究者進行了一項關於脊柱的剛度對於 SMoLBot 步態穩定性的影響的實驗。

在測試中，雙模塊 SMoLBot 採用對角小跑步態，步態頻率為2Hz。測試分別在光滑和粗糙的表面進行。

在光滑的地面行走時，測量記錄了機器人的俯仰角（pitch angle）。

可以看到柔性脊柱的俯仰角波動要比剛性脊柱的俯仰角波動小2度左右，因此，柔性脊柱的運動步態相對於剛性脊柱的而言要更加的穩定。

光滑地面行走：柔性脊柱（紅色）和剛性脊柱（藍色）比較

在粗糙的地面行走時，柔性脊柱的優勢會更加明顯，研究者們測量記錄了機器人的側傾角（pitch angle）。

可以看到柔性脊柱的側傾角波動要比剛性脊柱的側傾角整體小接近4度左右。

研究者提出，柔性的脊柱可以讓機器人更好的適應地形，從而減少運動過程中的前後段身體模塊的差異，因此能夠獲得更加平衡的運動模式。

粗糙地面行走：柔性脊柱（紅色）和剛性脊柱（藍色）比較

3D列印中的軟機器人

近年來，對軟機器人的增材製造的研究採取了多種形式。例如，在2020年1月，康奈爾大學的研究人員開發了一種3D列印的軟機器人肌肉，能夠「排汗」。使用基於水凝膠的複合樹脂和立體平版印刷術（SLA），生產出可以保留水並響應溫度的柔軟的手指狀致動器。

2019年8月，荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的研究人員創建了多色3D列印傳感器，以幫助軟機器人提高自我意識和適應性。通過創新一種靈活的嵌入式3D列印傳感方法，研究人員增加了機器人與物體之間的相互作用。

兩位NASA研究人員宣布，他們已在3D列印中使用了3D列印技術，從而在2019年5月生產出了一個軟機器人致動器。該新組件負責為機器人的運動部件提供動畫和控制功能，代表了將軟機器人技術帶入太空的重要一步。

事實上，這並不是研究人員第一次與昆蟲「合作」，2018年12月，他們宣布開發出了第一個飛行無線平臺，包括傳感器，無線通信和位置跟蹤器，其電源既強大又輕便，可以連接到大黃蜂上。

之後，華盛頓大學的工程師們又推出了 RoboFly，它是一種比牙籤略重的機器人昆蟲，由機器人上方附著的光伏電池供電。但是，憑藉其微小的電池，它最多只能完成起飛和降落。

儘管該團隊對輕量、低功耗移動相機的潛力感到興奮，但研究人員承認，這項技術也帶來了一系列新的隱私風險。

「作為研究人員，我們堅信把東西放到公共領域是非常重要的，這樣人們才會意識到風險，才會開始想出解決辦法來解決問題。」Gollakota 說。

講在最後

相信接下來會有更多的研究成果出現在人們的視野中，不久的將來，智慧機器人群體就可以起到檢查、遠程維修的作用，或者幫助人們完成一些高危任務。