近日，電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在《自然—通訊》上發(fā)表研究論文，報(bào)道了一款新型具備高機(jī)動(dòng)性與強(qiáng)穩(wěn)健性的“電子蟑螂”軟體微型機(jī)器人。
得名“蟑螂”，是因?yàn)槠涮匦浴＿@款機(jī)器人個(gè)頭小，重約1克、長(zhǎng)約2厘米，可容身并行動(dòng)于狹小空間。而且它跑得快，行走直線速度可達(dá)9.6cm/s，一秒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎280°。它還特別靈活，就算從高處跌落被迫“翻了個(gè)身”，也能繼續(xù)爬行。
更有趣的是，這款機(jī)器人擁有著“小強(qiáng)”般的生命力，就算受到120斤的外力，依舊毫發(fā)無損。
未來的某天，這只“小強(qiáng)”也許就會(huì)現(xiàn)身災(zāi)害救援、管道巡檢的現(xiàn)場(chǎng)，在人去不到或肉眼難以觀察的角落，輔助巡視、偵察等工作。
“小強(qiáng)”為何踩不死？柔性結(jié)構(gòu)和材料“護(hù)身”
從外形上看，“電子蟑螂”機(jī)器人更像一張四方桌。
“桌面”似綠色的方片，實(shí)則是由柔性壓電材料制成的驅(qū)動(dòng)器，相當(dāng)于“蟑螂”的“人工肌肉”，調(diào)控著它的行動(dòng)軌跡。
與“人工肌肉”平行的下方框架上，分布著電池、控制電路、傳感器等部件，憑借直徑只有頭發(fā)絲四分之一的細(xì)線和“人工肌肉”相連。操作人員通過手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送信號(hào)至電路板，就能遠(yuǎn)程給機(jī)器人下達(dá)行動(dòng)指令。
電子科技大學(xué)副教授吳一川向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者展示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)視頻。視頻中，用直尺壓、或用腳踩“電子蟑螂”后，它都能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，無明顯變形。而且用腳踩時(shí)，腳下的體重器顯示，重量已達(dá)120斤。
“‘電子蟑螂’擁有者‘小強(qiáng)’一樣的生命力，能夠承載相當(dāng)于自身重量900倍的壓力?！眳且淮ㄕf道。
而“踩不死”的原因在于，其擁有良好的韌性和抗沖擊性能。
“首先機(jī)器人選取的制作材料是柔性的，包括機(jī)器人的‘腿’，以及集成原件所選取的都是耐用，且不易變形的材料。”吳一川解釋，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的也相當(dāng)于一副柔性外骨骼，使其擁有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。受到外力時(shí)，可以迅速折疊，保護(hù)重要部件不受損，又能在外力解除后迅速恢復(fù)。
不僅如此，作為一種昆蟲仿生微型機(jī)器人，“電子蟑螂”還克服了普通昆蟲運(yùn)動(dòng)“短板”。
“我們常在戶外看到，昆蟲一旦被翻倒，基本動(dòng)彈不得，看著像死了，其實(shí)還活著，想要靠自己翻身得費(fèi)好大的勁兒。”吳一川表示，“電子蟑螂”就沒有這種煩惱，即使“四腳朝天”，其“人工肌肉”仍能精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)軌跡，來去自如。
一片“人工肌肉”的作用
在演示視頻中，“電子蟑螂”能夠在平面上靈活完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等一系列動(dòng)作。支撐其復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的，僅是單獨(dú)一片薄薄的“人工肌肉”。這背后的設(shè)計(jì)原理，正是這款機(jī)器人的核心技術(shù)難題。
這一設(shè)計(jì)靈感，來源于團(tuán)隊(duì)一次偶然的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)他們正在做機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，突然注意到重量較輕的機(jī)器人，會(huì)隨著身上部件振動(dòng)頻率的不同，作出超出設(shè)計(jì)預(yù)想的爬行方向，例如突然前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)彎。
“是不是可以利用振動(dòng)頻率，來精確調(diào)控機(jī)器人的行動(dòng)軌跡呢？”團(tuán)隊(duì)成員腦海中，跳出了新的想法。
吳一川舉例，打火機(jī)的打火石，正是靠摩擦產(chǎn)生火花，原理是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了電能，并引燃燃料。而團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)思路，就是在驅(qū)動(dòng)器上完成電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，使得機(jī)器人基于不同的振動(dòng)頻率完成不同的動(dòng)作。
所以他們先選擇了合適的材料，做成一小片“人工肌肉”，對(duì)其施加不同電壓頻率，發(fā)生彎曲后帶動(dòng)四條腿“同頻共振”。
但一開始都是團(tuán)隊(duì)的設(shè)想和推測(cè)。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、電子科技大學(xué)教授彭倍介紹，反復(fù)驗(yàn)證過程中，團(tuán)隊(duì)利用每秒鐘能拍攝4000張照片的高速攝像機(jī)，捕捉了搭載“人工肌肉”的機(jī)器人在不同頻率振動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)情況。
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，不同頻率下機(jī)器人腿部呈現(xiàn)出多振動(dòng)模態(tài)，其軌跡會(huì)在直線、橢圓甚至圓形之間相互切換，相應(yīng)地腿部與平面形成的夾角亦有不同，而且到了一定程度軌跡還會(huì)發(fā)生順、逆時(shí)針的變化。四條腿的行動(dòng)組合起來，就會(huì)使機(jī)器人作出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。
“多振動(dòng)模態(tài)的現(xiàn)象，其實(shí)在生活中也很常見?！眳且淮ń忉尩溃鐑扇烁髯誀孔±K子兩端輕輕甩動(dòng)時(shí)，繩子可能呈現(xiàn)出一個(gè)平滑的弧形，這是最低階模態(tài)。而當(dāng)甩動(dòng)速度加快、頻率變化，繩子會(huì)產(chǎn)生多個(gè)波峰波谷，即出現(xiàn)更高階的振動(dòng)模態(tài)。這種從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的振動(dòng)形態(tài)變化，正是多模態(tài)的直觀體現(xiàn)。
有了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支撐，團(tuán)隊(duì)便開始梳理現(xiàn)象背后的規(guī)律，并反推出了計(jì)算公式，以更好地操控機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)軌跡。
“小強(qiáng)”也有飛天夢(mèng)
從頻率影響運(yùn)動(dòng)軌跡的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，到相關(guān)理論提出，再到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出計(jì)算公式，團(tuán)隊(duì)共花費(fèi)了兩年多的時(shí)間。
但這也促使“電子蟑螂”機(jī)器人完成了“質(zhì)的飛躍”。其實(shí)在2019年，還在攻讀博士的吳一川就研制出了第一代“電子蟑螂”，但當(dāng)時(shí)機(jī)器人設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只能在平面直線跑動(dòng)，卻無法轉(zhuǎn)彎。而且控制元件沒有集成，必須外接電路和電池。
到了2021年，吳一川與師弟梁家銘一起研發(fā)的第二代“電子蟑螂”解決了集成和轉(zhuǎn)彎問題，但運(yùn)動(dòng)速度較慢，且身上帶了三個(gè)執(zhí)行器，控制方式比較復(fù)雜。
“現(xiàn)在，它成長(zhǎng)到了第三代，行走直線速度可達(dá)9.6cm/s，一秒內(nèi)最快可以轉(zhuǎn)彎280°?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人彭倍教授強(qiáng)調(diào)，該“電子蟑螂”區(qū)別于其他同類型微型機(jī)器人的最大優(yōu)勢(shì)，就是僅靠調(diào)節(jié)單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的頻率，便實(shí)現(xiàn)了靈活控制腿部末端運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀、方向與傾斜角度。
對(duì)于大型機(jī)器人而言，通常會(huì)依賴多個(gè)驅(qū)動(dòng)器來控制其動(dòng)作，就好比人類實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的肢體運(yùn)動(dòng)，離不開多個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)作。
但設(shè)計(jì)制作微型機(jī)器人，對(duì)重量與尺寸的把控就極為關(guān)鍵?！拔覀円愿p的重量，更小的尺寸，更高的集成度來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行動(dòng)控制，因此要盡可能減少驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量?！迸肀督淌诒硎尽?span style="display:none">D5u即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
總之，該研究提出的是首個(gè)在厘米尺度下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成、可無線操控并能承受強(qiáng)烈沖擊的微型機(jī)器人平臺(tái)。
此外，這只“電子蟑螂”還可同時(shí)適應(yīng)水陸運(yùn)動(dòng)的“兩棲”機(jī)器人。當(dāng)它處于水中時(shí)，四條腿就變成了“船槳”，受水的阻力運(yùn)動(dòng)變緩，但基于不同的頻率依舊能展開水面可控滑行。
“電子蟑螂”憑借其獨(dú)特性能，在災(zāi)害搜救、管道檢測(cè)、密閉狹小空間作業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。然而，其真正走向?qū)嵱没€需攻克若干關(guān)鍵技術(shù)難題。
“首要挑戰(zhàn)在于解決電池續(xù)航，”吳一川指出，“當(dāng)前搭載的鋰電池僅能維持約20分鐘的運(yùn)行時(shí)間，這極大地限制了其實(shí)際作業(yè)能力?！?span style="display:none">D5u即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
自然界中，除了爬行，昆蟲還具備著跳躍甚至飛行的能力。吳一川期望“電子蟑螂”未來也能集成更多的仿生運(yùn)動(dòng)模態(tài)，如跳躍或短距飛行，以提升其復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性，擴(kuò)大任務(wù)執(zhí)行的范圍。
“電子蟑螂”機(jī)器人實(shí)物圖，大小與一枚硬幣相當(dāng)。受訪者供圖
電子科技大學(xué)昆蟲尺度仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)。受訪者供圖
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