机器人“小强”比所有昆虫跑得快!

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 信仪

导语:下次看到快速移动的“小强”不要慌,这可能是帮你工作的HAMR- Jr微型机器人

智东西6月5日消息,近日,哈佛大学研究人员新研发了一种不足一分硬币大小的微型机器人HAMR-Jr,它是HAMR机器人的缩小版本。这款新的微型机器人以蟑螂为原型,可以跑、跳、搬运物体,甚至可以翻动硬币。

HAMR-Jr证实了通过折叠组装方式,来缩小复杂机器人规模的技术是可行的。它是世界上最灵巧的微型机器人,速度能比过世界上跑得最快的昆虫,而且将可搬运达到自重10倍的物体。

近年来,人们对微型机器人越来越感兴趣。机器人技术研究人员表示,这些机器人在搜救、高价值资产检查、环境监测甚至医药领域具有巨大的社会和经济影响潜力。

微、中尺度制造技术的发展使得建造和操作微型机器人的新技术成为可能。然而,现有的大多数昆虫级机器人往往身体规划简单,智能有限,缺乏基本运动之外的动力和自主控制能力。

在这个情况下,一种更精细、小巧灵活、移动速度又快的四足微型机器人诞生了,它就是哈佛的移动微型机器人HAMR。而近日研究人员针对该机器人进行再升级,缩小了这个机器人的尺寸,并将HAMR的微型版本机器人称为HAMR- Jr。

一、缩小机器人尺寸不影响性能

HAMR- Jr是由哈佛大学John A. Paulson工程和应用科学学院(SEAS),以及哈佛威斯(Wyss)生物启发工程研究所的研究人员开发的,它的体积只有上一代HAMR的一半大小,而重量不到HAMR的四分之一。

机器人“小强”比所有昆虫跑得快!▲新设计的HAMR-Jr及其前身HAMR

只有一分钱硬币大小的HAMR-Jr几乎拥有其前身HAMR所能执行的全部功能,这也是迄今为止最为灵巧的微型机器人之一。

SEAS and Wyss 研究所的前博士后研究员、这篇论文的第一作者Kaushik Jayaram说:“大多数的微型机器人设计得都非常简单,只显示出基本的移动能力,而我们已经证明,无需为了控制大小而牺牲机器人的灵活性。”

这项研究在设计时面临的最大问题是,用于制造HAMR和其他版本的微型机器人的弹出式制造过程,是否可以适用于从微型外科机器人到大型工业机器人间不同规模的机器人。

从以往的研究看来,缩小机器人的比例确实会改变控制步长和关节的机制,因此研究人员还开发了一个模型,这一模型可以根据机器人的目标尺寸预测运动指标,比如跑步速度,脚力和有效载荷,然后使用该模型来设计相应所需规格的系统。

SEAS and Wyss研究所工程与应用科学教授、该论文的合著者Charles River表示:“这个新机器人的研发,表明无论是在理论还是实践层面,我们已经很好地掌握了使用折叠组装的方式,来缩小复杂机器人规模的技术。”

在印刷电路微电子机械系统(PC-MEMS)的制造过程中,机器人的组件被蚀刻到一个二维的薄片上,然后以三维的结构弹出。

为了建造HAMR-Jr,研究人员缩小了机器人组件的二维平面设计,连同将执行器和板载装置一起缩小,由此创建出一个与HAMR功能相同,但体积更小的机器人。

机器人“小强”比所有昆虫跑得快!▲带有组件标记的HAMR-Jr透视图

机器人“小强”比所有昆虫跑得快!▲HAMR-Jr侧视图

Jayaram说:“这项工作的巧妙之处在于,我们不需要改变以前的设计。并且这项研究的成功证明了我们的设计过程可以应用于各种尺寸的设备。”

二、HAMR-Jr体积小似一便士硬币,速度比过世上最快澳洲甲虫

HAMR-Jr身长2.25厘米,重约0.3千克,不仅大小像一便士硬币,其重量甚至只有一便士硬币的几分之一。

压电驱动器可以以每秒近14个体长(30厘米)的速度,200Hz的步态频率驱动它。甚至步态频率理论上可进一步加速至超过280Hz,而受共振最佳点影响,其实际呈现出的频率一般会减速至200Hz以上。因此它不仅是最小的机器人之一,而且还是速度最快的微型机器人之一。

机器人“小强”比所有昆虫跑得快!
▲HAMR Jr.每秒可以运行约14个身体长度,使其不仅是最小的机器人之一,而且还是最快的微型机器人之一

值得注意的是,即使最快的有腿昆虫也无法达到200Hz的步态频率。以每秒跨越体长个数计算速度的话,世界上最快的澳洲甲虫无法达到HAMR-Jr的速度,只有加利福尼亚芝麻大小的一种螨虫的行进速度才可以和HAMR-Jr相近。

机器人“小强”比所有昆虫跑得快!▲HAMR-Jr变速器(右后腿)原理图,左下角的插图为一个柔性关节的示意图

三、HAMR-J有效荷载能力不断升级有望超自身质量10倍

这个新的微型机器人可以小跑、俯卧、跳跃,还可以像螃蟹一样横向移动。当有效载荷达到其自身质量(320毫克)时,机器人的性能不会有太大变化,这便很好地证明了机器人内部电池和传感器等的有效载荷的能力。

机器人“小强”比所有昆虫跑得快!
▲HAMR-Jr活动图示

此外,还有一些探索性的测试表明,一种新的刚性结构可以让HAMR-Jr的有效载荷至少达到3.5克。

而在设计这款微型机器人的过程中,研究人员遇到的困难主要在于两方面。

一方面是,装配过程中材料、几何性能或胶水的微小变化都会对机器人的性能产生重大影响。此外,在显微镜下处理小而零碎的零件和折叠它们需要很大的耐心,还需要手指保持灵活。

另一方面,研究人员为保持HAMR的运动性能做了大量努力,毕竟它们让机器人腿的运动频率在陆地生物系统中没有参考模板,而且对这种高步频下的运动力学没有先验的概念。

研究人员表示,像HAMR这样的小型机器人未来主要会应用于4个领域:由于其小巧敏捷,可用于搜救和救援;其高度自治的特点可用来进行工业检查;因为它具有伸缩性,可以用来协助环境监测;由于这种机器人的大小可扩展,因此也可以用于医学。

论文中还提到,在这一系列机器人的下一款迭代中,可以调整腿的摆动自由度以加大步伐,从而提高运动速度。此外,还会增强机器人的有效载荷能力,使其至少能够携带超过它自身重量10倍的物体。他们的目标是通过吸收大自然动物形态的多样性,最终能造出大小不一、功能强大的微型机器人。

结语:微型机器人技术再刷新,小体积高灵活度可用于医疗等多领域

微型机器人的发展依赖于微加工工艺、微传感器、微驱动器和微结构四个方面。微型机器人和超微型机器人已逐步形成一个牵动众多领域向纵深发展的新兴技术,它的影响力度非常高。

以蟑螂为原型,研究人员研发了小巧灵活,而又有工作能力的动态微型机器人HAMR- Jr。小体积在工作中用处颇多,比如深入建筑中因坍塌而造成的缝隙中,还可以协助医疗,在微小的动脉上进行慎重操作。由此可见,微型机器人技术通过不断升级,可在社会中的更多领域发挥作用。

论文链接:https://arxiv.org/abs/2003.03337

消息来源:Tech Xplore、IEEE Spectrum