《科學(xué)》子刊：喝“假酒”，干重活的機器人來(lái)了

　　機器人通常使用電池或插座供電，但一款名為“RoBeetle”的機器人卻有點(diǎn)不同。這種和昆蟲(chóng)一般大小的微型機器人，重量不足 1 克，卻能拖運自身重量 2.6 倍的物體。最特別的是，它是依靠甲醇來(lái)供能的。

　　甲醇是一種常見(jiàn)于溶劑和防凍劑中的有機化合物（假酒傷人的成分之一）。像甲醇這樣的液體燃料，每單位體積所提供的能量會(huì )比電池更多，這就意味著(zhù)甲醇驅動(dòng)的微型機器人不再需要附加外部電源，比如電線(xiàn)、電磁場(chǎng)。從理論上講，這種機器人比電力驅動(dòng)的同類(lèi)擁有更多的自主權，同時(shí)又能保持很小的尺寸。

　　在最新一期的《科學(xué)·機器人》中，來(lái)自南加州大學(xué)的研究者向公眾介紹了這款名為“RoBeetle”的機器人。他們設計了可以像真實(shí)物體一般收縮和放松的微型人造肌肉，并且使用覆蓋有鉑粉的鎳鈦合金線(xiàn)加快甲醇蒸汽的燃燒。這一過(guò)程產(chǎn)生的熱量會(huì )導致機器人腿部的電線(xiàn)縮短，待冷卻后重新伸展，以此驅動(dòng) RoBeetle 的運動(dòng)。

　　RoBeetle 重量?jì)H有 88 毫克，能夠拖運自身重量 2.6 倍的物體。它可以額外攜帶 95 毫克的燃料，續航時(shí)間長(cháng)達 2 個(gè)小時(shí)。RoBeetle 擁有爬坡技能，并且可以在不同紋理的表面行進(jìn)，包括玻璃、泡沫睡墊、混凝土人行道。

　　在未來(lái)的研究中，研究者需要進(jìn)一步探索如何實(shí)現機器人的燃料添加功能，從而在更長(cháng)的時(shí)間內持續供能。此外，如果能夠對 RoBeetle 進(jìn)行編程并實(shí)現與操作者通信，那么這款機器人還能用于人工授粉或協(xié)助手術(shù)等更多場(chǎng)景。

　　論文鏈接：https：//robotics.sciencemag.org/content/5/45/eaba0015

　　RoBeetle 技術(shù)詳解

　　用于微型機器人驅動(dòng)的催化人造肌肉

　　為了創(chuàng )建能夠驅動(dòng)昆蟲(chóng)大小爬蟲(chóng)機器人的 2H 微致動(dòng)器，研究者將燃料的 HEDs（下圖 1A）和 SMAs 的 HWDs（下圖 1B）結合起來(lái)。

圖 1：實(shí)現微致動(dòng)的能量源和致動(dòng)方法。

　　致動(dòng)機制的核心組件是下圖 2A 中的人造肌肉，它包含一個(gè)鎳鈦合金核（NiTi core）和一個(gè)凝集鉑（Pt）粉的外催化層。在操作過(guò)程中，復合線(xiàn)材（composite wire）的 SMA 核心被催化表面上燃料的可控催化燃燒所產(chǎn)生的熱量激活。

　　下圖 2C 至 2E 為 NiTi-Pt 復合線(xiàn)材表面的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）圖像，它們是通過(guò)在《Materials and Methods》以及下圖 S1 中描述的方法生成的。

　　下圖 2F 展示了確定的主回路和兩個(gè)副回路，其中應力為 164MPa，并與驅動(dòng) RoBeetle 原型的 9.8mm 長(cháng) NiTi-Pt 線(xiàn)連接。主回路指的是加熱冷卻回路，在這個(gè)過(guò)程中，SMA 材料完成了從馬氏體狀態(tài)（martensitic state）到奧氏體狀態(tài)（austenitic state）的完全相變，然后又完全地回歸馬氏體狀態(tài)。

圖 2：催化人造肌肉。

圖 S1：NiTi-Pt 復合線(xiàn)材的制作過(guò)程。

　　設計原理 Design of RoBeetle

　　為了驗證 2H NiTi-Pt 致動(dòng)器的性能，研究者創(chuàng )建了自動(dòng) RoBeetle 的原型，具體如下圖 3A 所示。RoBeetle 通過(guò)基于可變摩擦的運動(dòng)方式來(lái)實(shí)現爬行。但是，本研究提出的致動(dòng)方法可以賦能一系列微型機器人平臺，進(jìn)而實(shí)現機器人的行走、跳躍、游泳和飛翔動(dòng)作。

　　下圖 3B 展示了致動(dòng)、感知和反饋控制的聯(lián)合機制；圖 3C 至 3H 展示了實(shí)現自主操作所需的所有組件，包括 NiTi-Pt 復合線(xiàn)材、MCM 以及燃料箱和其他結構構件。

圖 3：RoBeetle 的設計原理。

　　就功能而言，這些組件分為以下四類(lèi)：

1. 第一類(lèi)包含構成 RoBeetle 軀干的組件，即存儲甲醇的燃料箱（圖 3C 和 3D）；

2. 第二類(lèi)由 MCM 組件組成，即燃料艙蓋和滑動(dòng)閘板（圖 3E）；

3. 第三類(lèi)由構成致動(dòng)機制的組件組成，包括 NiTi-Pt 線(xiàn)和傳動(dòng)裝置（圖 3E）、葉片彈簧（圖 3C 和 3G）、以及用于安裝葉片彈簧的兩個(gè)喇叭狀靜態(tài)臂和支撐復合線(xiàn)的后錨塊夾具（圖 3C）；

4. 第四類(lèi)由帶爪的仿生微型機械腿組成，它們能夠誘發(fā)各向異性摩擦，進(jìn)而模擬亞種群甲蟲(chóng) Pachnoda marginata peregrina 的摩擦機制。

　　實(shí)驗

　　系留固定實(shí)驗

　　為了獲取適合 MCM 設計的參數，該研究使用了多個(gè) RoBeetle 原型來(lái)進(jìn)行一系列系留實(shí)驗。

　　具體來(lái)說(shuō)，研究者測量了與微型機器人操作相關(guān)的最相關(guān)變量，包括 NiTi-Pt 線(xiàn)的表面溫度和產(chǎn)生的自振蕩致動(dòng)應變，如下圖 4 所示。

圖 4：用于測試 RoBeetle 原型特性的系留固定實(shí)驗。

　　自主運動(dòng)

　　為了驗證提出的致動(dòng)方法并探究 RoBeetle 原型的運動(dòng)性能，研究者進(jìn)行了兩種類(lèi)型的實(shí)驗：靜止（stationary）條件和平緩移動(dòng)條件下的自主爬行。這兩個(gè)實(shí)驗旨在根據平均爬行速度來(lái)突出最壞和最佳情況下的操作條件。

　　下圖 5A 中展示了第一類(lèi)運動(dòng)測試的實(shí)例，圖 5B 展示了第二類(lèi)運動(dòng)測試的實(shí)例。與這兩個(gè)測試相對應，機器人位置隨時(shí)間變化的情況如圖 5C 所示。

　　操作過(guò)程中，機器人后腿爪部到前腿爪部的距離隨著(zhù)人造肌肉的收縮呈現周期性增加，同時(shí)隨著(zhù)人造肌肉的延伸而距離縮小。

圖 5：該機器人在兩種環(huán)境條件下的自主運動(dòng)。

　　功能和運動(dòng)性能

　　從最基本的導航角度來(lái)看，自主地面機器人必須能夠爬坡、運載有效載荷并在各種不同的表面上運動(dòng)。因此，為了評估 RoBeetle 的功能，研究者進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗。

　　首先是坡道攀爬，下圖 6A 至 6C 展示了 RoBeetle 分別在傾斜度為 5°、10° 和 15° 的斜坡上爬行的樣子。RoBeetle 原型可以輕松地在 5° 和 10° 的坡度上攀爬，但在 15° 傾斜度上攀爬的時(shí)候出現了下滑。與在水平面上相比，測得的相應速度如下圖 6D 所示。

圖 6：在不同的實(shí)驗設置下的運動(dòng)及其達到的速度。

　　有效載荷行進(jìn)演示

　　研究者演示了 RoBeetle 攜帶有效載荷的能力，并展示了機器人執行簡(jiǎn)單自動(dòng)化任務(wù)時(shí)與環(huán)境的交互，具體如下圖 7 所示：

圖 7：機載射頻識別芯片實(shí)現了機器人與環(huán)境的交互。