最小最快!哈佛受蟑螂啟發的機器人突破又一極限 縮小至硬幣大小僅...

2020-12-05 中國科學技術館

圖片來源：Kaushik Jayaram/Harvard SEAS

受昆蟲生物學的啟發，哈佛大學的一個團隊正在突破其項目的極限，打造出有史以來最小、速度最快的微型機器人。

在名為「哈佛移動微型機器人」(HAMR)項目的最新進展中，研究人員表示，他們已經成功地將這個靈感來自蟑螂的機器人縮小到硬幣大小。這個小機器人雖然還不能爬上水柱，但它可以奔跑、跳躍、攜帶重物和快速轉彎。

這個被稱為HAMR-JR的微型機器人是由哈佛大學約翰·A·保爾森工程和應用科學學院(SEAS)和哈佛威斯生物啟發工程研究所的研究人員攜手開發的，它只有受蟑螂啟發的哈佛移動微型機器人HAMR的一半大小。

HAMR-JR只有一便士大小，幾乎可以完成它的大型前身的所有壯舉，促使它成為迄今為止最靈巧的微型機器人之一。

「這種規模的大多數機器人都相當簡單，只展示了基本的移動能力。」Kaushik Jayaram說，他是SEAS and Wyss的前博士後研究員，也是該論文的第一作者。「我們已經證明，你不需要為靈巧妥協或控制大小。」

Jayaram目前是科羅拉多大學博爾德分校的助理教授。

這項研究在本周的國際機器人和自動化會議(ICRA 2020)上虛擬會議展示了出來。

這項研究面臨的一個大問題是，用於製造HAMR早期版本和其他微型機器人(包括RoboBee)的彈出式製造流程，是否可以用於製造多種規模的機器人——從微型外科機器人到大型工業機器人。

PC-MEMS(印刷電路微機電系統的縮寫)是一種製造工藝，在這種工藝中，機器人的部件被蝕刻在一張2D的薄片上，然後以3D的形式呈現出來。為了建造HAMR-JR，研究人員只是簡單地縮小了機器人的2D平面設計——以及驅動器和車載電路——以重現一個具有所有相同功能的更小的機器人。

Jayaram說:「這次試驗的奇妙之處在於，我們不必對之前的設計做任何改變。」「我們可以證明，這一製造過程基本上可以應用於各種尺寸的任何設備。」

HAMR-JR體長2.25釐米，重約0.3克，相當於一枚硬幣的重量，它奔跑速度驚人，使它不僅是最小的，也是最快的微型機器人之一。 

這項研究是由Jennifer Shum, Samantha Castellanos和E. Farrell Helbling共同撰寫的。這項研究得到了DARPA和維斯研究所的支持。

對蟑螂的誤解

對這位今年加入CU Boulder的工程師Jayaram來說，這個項目是一系列機器人設計中最新的一個，這些機器人的靈感來自一個不太可能的來源：令人厭惡的蟑螂。

Jayaram之前製造了一個名叫CRAM的小型機器人，它可以像城市裡的害蟲一樣擠進看似不可能的空間。他的另一個作品能夠頭朝下撞到牆上，然後繼續跑——就像一隻蟑螂一樣。

「在上研究生之前，我從來都不喜歡蟑螂。」Jayaram說，「但後來，這麼多年來，我覺得，『是啊，你太噁心了。但作為一種特別的生物，你也是非常有用的，我們可以從中學到東西。』」

設計用來模仿這種討厭昆蟲的速度和機動性的HAMR-JR，也帶來了一系列工程上的挑戰。

最主要的就是動力問題。這種尺寸的機器人不能使用傳統的馬達。當它們太小的時候就會過熱。因此，哈佛大學的研究小組使用一種叫做「壓電致動器」的工具為HAMR-JR提供了動力。

此外，按比例縮小確實會改變一些控制步長和關節剛度的原則，因此研究人員還開發了一個模型，可以根據目標尺寸預測運動指標，如跑步速度、腳力和有效載荷。然後可以使用該模型來設計具有所需規範的系統。

Jayaram解釋說，為了製造這麼小的機器人，研究人員首先用雷射將機器人的身體部分的形狀蝕刻在一塊碳纖維複合材料上。

Jayaram說:「我們在平面上把所有東西做成二維結構，然後像摺紙一樣把它摺疊起來，做成三維結構。」「在顯微鏡下觀察要花很多時間才能讓它工作。」

小小機器人，大有希望

這些讓眼睛的疼痛得到了回報：HAMR-JR可以左右轉彎，甚至可以向後疾走。它跑步的速度是它身體長度的14倍，也就是大約每秒1英尺。相比之下，哺乳動物世界中速度最快的動物——獵豹的衝刺速度約為每秒16個身長。

HAMR-JR只是一個開始，Jayaram補充道。理論上，工程師們可以用他的團隊同樣的方法製造出更小的機器人——鉛筆橡皮或者更小。

「我們證明了我們的設計和製造方法是高度可擴展的。」Jayaram說，「我們可以把所有東西縮小或放大，機器人仍然可以工作。」

現在，Jayaram想看看他還能從昆蟲身上獲得什麼靈感：他能不能做一個有6條或8條腿的微型機器人來取代HAMR-JR的4條腿?那麼，如果一個小機器人足夠靈活，即使被踩到也能存活下來呢?

換句話說，當你身邊有蟑螂的時候，沒有什麼是你做不到的。

「我對生物學和工程學邊緣的問題感興趣HAMR-JR」Jayaram說，「什麼是生物學能做而工程學不能做的？」

前身——微型機器人HAMR

2018年，哈佛大學在《自然通訊》發表研究，展示了靈感來自蟑螂的微型機器人HAMR，既能在陸地上行走，也能在水面上遊泳、在水下行走，只要需要，就可以探索新的環境。作為對比，在自然界中，蟑螂可以在水下存活30分鐘，但現在，蟑螂機器人青出於藍而勝於藍。

HAMR使用多功能腳墊，依靠表面張力和表面張力誘導浮力，當HAMR需要遊泳，也可以施加電壓打破水面，當HAMR需要下沉。這一過程被稱為電潤溼，即在施加的電壓下減小材料與水表面的接觸角。接觸角的變化使得物體更容易突破水面。

研究人員表示，這項研究表明,微型機器人可以利用小規模的物理——在這種情況下表面張力來執行功能和挑戰更大的機器人。

HAMR重1.65克(相當於一個大回形針的重量)，可以在不下沉的情況下額外攜帶1.44克的有效載荷，它擺動腿的頻率可達10赫茲。上面塗了一層聚二甲苯，防止它在水下短路。

一旦進入水面以下，HAMR就會像在陸地上一樣走路，而且移動自如。要回到乾燥的陸地，HAMR面臨著來自水的巨大挑戰。一種相當於機器人重量兩倍的水面張力向下壓在機器人身上，此外，這種誘導力矩還會大大增加機器人後腿的摩擦力。

研究人員加固了機器人的傳動裝置，並在機器人的前腿上安裝了軟墊，以增加負載能力，並在爬升過程中重新分配摩擦力。最後，爬上一個適當的斜坡，機器人就能跳出水面。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200603122948.htm

https://www.colorado.edu/today/2020/06/03/cockroach-inspired-robot-among-smallest-fastest-ever

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