哈佛將其微型機器人縮小到硬幣尺寸

受昆蟲(chóng)生物學(xué)的啟發(fā)，哈佛大學(xué)的一個(gè)團隊正在突破其項目的極限，打造出有史以來(lái)最小、速度最快的微型機器人。

在名為“哈佛移動(dòng)微型機器人”(HAMR)項目的最新進(jìn)展中，研究人員表示，他們已經(jīng)成功地將這個(gè)靈感來(lái)自蟑螂的機器人縮小到硬幣大小。這個(gè)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(gè)被稱(chēng)為HAMR-JR的微型機器人是由哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程和應用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和哈佛威斯生物啟發(fā)工程研究所的研究人員攜手開(kāi)發(fā)的，它只有受蟑螂啟發(fā)的哈佛移動(dòng)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(jiǎn)單，只展示了基本的移動(dòng)能力?！盞aushik Jayaram說(shuō)，他是SEAS and Wyss的前博士后研究員，也是該論文的第一作者?！拔覀円呀?jīng)證明，你不需要為靈巧妥協(xié)或控制大小?！?/p>

圖片來(lái)源：Kaushik Jayaram/Harvard SEAS

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

這項研究面臨的一個(gè)大問(wèn)題是，用于制造HAMR早期版本和其他微型機器人(包括RoboBee)的彈出式制造流程，是否可以用于制造多種規模的機器人——從微型外科機器人到大型工業(yè)機器人。

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

Jayaram說(shuō):“這次試驗的奇妙之處在于，我們不必對之前的設計做任何改變?！薄拔覀兛梢宰C明，這一制造過(guò)程基本上可以應用于各種尺寸的任何設備?！?/p>

HAMR-JR體長(cháng)2.25厘米，重約0.3克，相當于一枚硬幣的重量，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(xiě)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(lái)說(shuō)，這個(gè)項目是一系列機器人設計中最新的一個(gè)，這些機器人的靈感來(lái)自一個(gè)不太可能的來(lái)源：令人厭惡的蟑螂。

Jayaram之前制造了一個(gè)名叫CRAM的小型機器人，它可以像城市里的害蟲(chóng)一樣擠進(jìn)看似不可能的空間。他的另一個(gè)作品能夠頭朝下撞到墻上，然后繼續跑——就像一只蟑螂一樣。

“在上研究生之前，我從來(lái)都不喜歡蟑螂?！盝ayaram說(shuō)，“但后來(lái)，這么多年來(lái)，我覺(jué)得，‘是啊，你太惡心了。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(xué)到東西?！?/p>

設計用來(lái)模仿這種討厭昆蟲(chóng)的速度和機動(dòng)性的HAMR-JR，也帶來(lái)了一系列工程上的挑戰。

最主要的就是動(dòng)力問(wèn)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(shí)候就會(huì )過(guò)熱。因此，哈佛大學(xué)的研究小組使用一種叫做“壓電致動(dòng)器”的工具為HAMR-JR提供了動(dòng)力。

此外，按比例縮小確實(shí)會(huì )改變一些控制步長(cháng)和關(guān)節剛度的原則，因此研究人員還開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，可以根據目標尺寸預測運動(dòng)指標，如跑步速度、腳力和有效載荷。然后可以使用該模型來(lái)設計具有所需規范的系統。

Jayaram解釋說(shuō)，為了制造這么小的機器人，研究人員首先用激光將機器人的身體部分的形狀蝕刻在一塊碳纖維復合材料上。

Jayaram說(shuō):“我們在平面上把所有東西做成二維結構，然后像折紙一樣把它折疊起來(lái)，做成三維結構?！薄霸陲@微鏡下觀(guān)察要花很多時(shí)間才能讓它工作?！?/p>

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，甚至可以向后疾走。它跑步的速度是它身體長(cháng)度的14倍，也就是大約每秒1英尺。相比之下，哺乳動(dòng)物世界中速度最快的動(dòng)物——獵豹的沖刺速度約為每秒16個(gè)身長(cháng)。

HAMR-JR只是一個(gè)開(kāi)始，Jayaram補充道。理論上，工程師們可以用他的團隊同樣的方法制造出更小的機器人——鉛筆橡皮或者更小。

“我們證明了我們的設計和制造方法是高度可擴展的?！盝ayaram說(shuō)，“我們可以把所有東西縮小或放大，機器人仍然可以工作?！?/p>

現在，Jayaram想看看他還能從昆蟲(chóng)身上獲得什么靈感：他能不能做一個(gè)有6條或8條腿的微型機器人來(lái)取代HAMR-JR的4條腿?那么，如果一個(gè)小機器人足夠靈活，即使被踩到也能存活下來(lái)呢?

換句話(huà)說(shuō)，當你身邊有蟑螂的時(shí)候，沒(méi)有什么是你做不到的。

“我對生物學(xué)和工程學(xué)邊緣的問(wèn)題感興趣HAMR-JR”Jayaram說(shuō)，“什么是生物學(xué)能做而工程學(xué)不能做的？”

前身——微型機器人HAMR

2018年，哈佛大學(xué)在《自然通訊》發(fā)表研究，展示了靈感來(lái)自蟑螂的微型機器人HAMR，既能在陸地上行走，也能在水面上游泳、在水下行走，只要需要，就可以探索新的環(huán)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，蟑螂機器人青出于藍而勝于藍。

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需要游泳，也可以施加電壓打破水面，當HAMR需要下沉。這一過(guò)程被稱(chēng)為電潤濕，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(lái)執行功能和挑戰更大的機器人。

HAMR重1.65克(相當于一個(gè)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(dòng)腿的頻率可達10赫茲。上面涂了一層聚二甲苯，防止它在水下短路。

一旦進(jìn)入水面以下，HAMR就會(huì )像在陸地上一樣走路，而且移動(dòng)自如。要回到干燥的陸地，HAMR面臨著(zhù)來(lái)自水的巨大挑戰。一種相當于機器人重量?jì)杀兜乃鎻埩ο蛳聣涸跈C器人身上，此外，這種誘導力矩還會(huì )大大增加機器人后腿的摩擦力。

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