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

在名為“哈佛移動微型機器人”(HAMR)項目的最新進展中，研究人員表示，他們已經(jīng)成功地將這個靈感來自蟑螂的機器人縮小到硬幣大小。這個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(zhuǎn)彎。

這個被稱為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(yīng)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發(fā)的，它只有受蟑螂啟發(fā)的哈佛移動微型機器人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(guī)模的大多數(shù)機器人都相當(dāng)簡單，只展示了基本的移動能力?！盞aushik Jayaram說，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。”

圖片來源：Kaushik Jayaram/Harvard SEAS

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

這項研究面臨的一個大問題是，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(guī)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(tǒng)的縮寫)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(xiàn)出來。為了建造HAMR-JR，研究人員只是簡單地縮小了機器人的2D平面設(shè)計——以及驅(qū)動器和車載電路——以重現(xiàn)一個具有所有相同功能的更小的機器人。

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

HAMR-JR體長2.25厘米，重約0.3克，相當(dāng)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來說，這個項目是一系列機器人設(shè)計中最新的一個，這些機器人的靈感來自一個不太可能的來源：令人厭惡的蟑螂。

Jayaram之前制造了一個名叫CRAM的小型機器人，它可以像城市里的害蟲一樣擠進看似不可能的空間。他的另一個作品能夠頭朝下撞到墻上，然后繼續(xù)跑——就像一只蟑螂一樣。

“在上研究生之前，我從來都不喜歡蟑螂?！盝ayaram說，“但后來，這么多年來，我覺得，‘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(shè)計用來模仿這種討厭昆蟲的速度和機動性的HAMR-JR，也帶來了一系列工程上的挑戰(zhàn)。

最主要的就是動力問題。這種尺寸的機器人不能使用傳統(tǒng)的馬達。當(dāng)它們太小的時候就會過熱。因此，哈佛大學(xué)的研究小組使用一種叫做“壓電致動器”的工具為HAMR-JR提供了動力。

此外，按比例縮小確實會改變一些控制步長和關(guān)節(jié)剛度的原則，因此研究人員還開發(fā)了一個模型，可以根據(jù)目標尺寸預(yù)測運動指標，如跑步速度、腳力和有效載荷。然后可以使用該模型來設(shè)計具有所需規(guī)范的系統(tǒng)。

Jayaram解釋說，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(fù)合材料上。

Jayaram說:“我們在平面上把所有東西做成二維結(jié)構(gòu)，然后像折紙一樣把它折疊起來，做成三維結(jié)構(gòu)?！薄霸陲@微鏡下觀察要花很多時間才能讓它工作?！?/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(zhuǎn)彎，甚至可以向后疾走。它跑步的速度是它身體長度的14倍，也就是大約每秒1英尺。相比之下，哺乳動物世界中速度最快的動物——獵豹的沖刺速度約為每秒16個身長。

HAMR-JR只是一個開始，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(shè)計和制造方法是高度可擴展的?！盝ayaram說，“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(xiàn)在，Jayaram想看看他還能從昆蟲身上獲得什么靈感：他能不能做一個有6條或8條腿的微型機器人來取代HAMR-JR的4條腿?那么，如果一個小機器人足夠靈活，即使被踩到也能存活下來呢?

換句話說，當(dāng)你身邊有蟑螂的時候，沒有什么是你做不到的。

“我對生物學(xué)和工程學(xué)邊緣的問題感興趣HAMR-JR”Jayaram說，“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(xiàn)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(dǎo)浮力，當(dāng)HAMR需要游泳，也可以施加電壓打破水面，當(dāng)HAMR需要下沉。這一過程被稱為電潤濕，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(guī)模的物理——在這種情況下表面張力來執(zhí)行功能和挑戰(zhàn)更大的機器人。

HAMR重1.65克(相當(dāng)于一個大回形針的重量)，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。

一旦進入水面以下，HAMR就會像在陸地上一樣走路，而且移動自如。要回到干燥的陸地，HAMR面臨著來自水的巨大挑戰(zhàn)。一種相當(dāng)于機器人重量兩倍的水面張力向下壓在機器人身上，此外，這種誘導(dǎo)力矩還會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，并在爬升過程中重新分配摩擦力。最后，爬上一個適當(dāng)?shù)男逼?，機器人就能跳出水面。