機(jī)器蟑螂升級(jí)研發(fā)昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人 可以成功穿越如迷宮等復(fù)雜地形

近日，加州大學(xué)伯克利分校(University of California，Berkeley)的一個(gè)研究小組，利用昆蟲(chóng)粘性腳墊背后的靜電粘附原理，升級(jí)其研發(fā)的昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人，可以成功穿越如迷宮等復(fù)雜地形。

這種小型昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人速度也很快，穿過(guò) 120 厘米迷宮耗時(shí) 5.6 秒，超常見(jiàn)昆蟲(chóng)水平。

這種昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人僅使用電池供電時(shí)，可以攜帶氣體傳感器工作 19 分 31 秒。由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，即使被 120 磅重的人踩到，這種機(jī)器人也能保持完好。

該研究論文題目為《靜電腳墊使具有軌跡控制的敏捷昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人成為可能(Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control)》，發(fā)表在《科學(xué)：機(jī)器人學(xué)》上。

01. 蟑螂大小，攻克敏捷性和軌跡控制難題

對(duì)于沒(méi)有剛性結(jié)構(gòu)來(lái)支持快速操作的軟體機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)擁有敏捷性和軌跡控制能力，非常具有挑戰(zhàn)性。

加州大學(xué)伯克利分校的機(jī)械工程教授林立偉(Liwei Lin)說(shuō)：“如今最大的挑戰(zhàn)之一，是制造能保留更大機(jī)器人的能源能力和控制能力的小型機(jī)器人。對(duì)于大型機(jī)器人，裝載大號(hào)電池和控制系統(tǒng)很簡(jiǎn)單。但是當(dāng)試著把機(jī)器人各部件不斷縮小尺寸時(shí)，這些設(shè)備對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)就變得很難攜帶，會(huì)使機(jī)器人移動(dòng)得非常緩慢。”

加州大學(xué)的這個(gè)研究小組在 2019 年就設(shè)計(jì)過(guò)一種類似蟑螂大小的機(jī)器人。

該機(jī)器人由一種薄的分層壓電薄膜材料構(gòu)成，當(dāng)施加電壓時(shí)，這種材料會(huì)彎曲和收縮，可以實(shí)現(xiàn)以每秒移動(dòng)約自身長(zhǎng)度 20 倍的速度或約每小時(shí) 1.5 英里的速度在平坦的表面上疾馳，幾乎和活體蟑螂本身的速度一樣，甚至可以說(shuō)是類似昆蟲(chóng)大小的機(jī)器人中速度最快的一種。

02. 加個(gè)腳墊，機(jī)器人軌跡完全可控

林立偉談到：“我們最初的這種機(jī)器人可以移動(dòng)非?？?，但我們真的無(wú)法控制機(jī)器人向左或向右，很多的時(shí)候機(jī)器人是隨機(jī)移動(dòng)的。因?yàn)橛袝r(shí)輕微制造差異，導(dǎo)致機(jī)器人不對(duì)稱，它會(huì)偏向一邊。”

在最近的研究中，研究小組給他們昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人添加了兩個(gè)靜電腳墊。研究人員在任何一個(gè)腳墊上施加電壓，都會(huì)增加腳墊和所接觸表面之間的靜電力，使腳墊更牢固地粘在表面上，實(shí)現(xiàn)使機(jī)器人的其余身體部分圍繞腳墊旋轉(zhuǎn)。

這兩個(gè)腳墊可以讓操作者完全控制機(jī)器人的軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在向心加速度超過(guò)大多數(shù)昆蟲(chóng)的情況下成功轉(zhuǎn)彎。

03. 超常見(jiàn)昆蟲(chóng)表現(xiàn)，5.6 秒通過(guò) 120 厘米迷宮軌道

為了展示這款昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人的敏捷性，研究團(tuán)隊(duì)拍攝了機(jī)器人在樂(lè)高迷宮中行走的過(guò)程，同時(shí)機(jī)器人還攜帶一個(gè)小型氣體傳感器，這樣就可以感知何時(shí)需要轉(zhuǎn)彎來(lái)避免掉落的碎片。機(jī)器人最終成功用 5.6 秒通過(guò)迷宮中一條 120 厘米的軌道。

林立偉說(shuō)，這樣小巧、健壯的機(jī)器人可能是進(jìn)行搜救行動(dòng)或調(diào)查其他危險(xiǎn)情況下的理想選擇，例如用來(lái)檢查可能的氣體泄漏。

研究小組通過(guò)一根小電線實(shí)現(xiàn)供電和控制，展示機(jī)器人的大部分技能。研究人員也嘗試不加外部電源，僅使用內(nèi)部電池，攜帶氣體傳感器的昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人還可以工作 19 分 31 秒。

04. 結(jié)語(yǔ)：昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)

這種昆蟲(chóng)機(jī)器人分別通過(guò)使用主體壓電薄膜的結(jié)構(gòu)共振頻率驅(qū)動(dòng)和靜電腳墊實(shí)現(xiàn)快速平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，敏捷性和可控性高。

微型機(jī)器人可以完成大型機(jī)器人不方便完成的任務(wù)，研究人員通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其實(shí)用性能，擴(kuò)展微型機(jī)器人的使用范圍。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器蟑螂 昆蟲(chóng)級(jí)軟體機(jī)器人 迷宮 復(fù)雜地形