哈佛將其微型機(jī)器人縮小到硬幣尺寸

受昆蟲生物學(xué)的啟發(fā)，哈佛大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在突破其項(xiàng)目的極限，打造出有史以來最小、速度最快的微型機(jī)器人。

在名為“哈佛移動(dòng)微型機(jī)器人”(HAMR)項(xiàng)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)靈感來自蟑螂的機(jī)器人縮小到硬幣大小。這個(gè)小機(jī)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(gè)被稱為HAMR-JR的微型機(jī)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(dòng)微型機(jī)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(jī)器人之一。

“這種規(guī)模的大多數(shù)機(jī)器人都相當(dāng)簡單，只展示了基本的移動(dòng)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?！?/p>

圖片來源：Kaushik Jayaram/Harvard SEAS

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

這項(xiàng)研究面臨的一個(gè)大問題是，用于制造HAMR早期版本和其他微型機(jī)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(jī)器人——從微型外科機(jī)器人到大型工業(yè)機(jī)器人。

PC-MEMS(印刷電路微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫)是一種制造工藝，在這種工藝中，機(jī)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(jī)器人的2D平面設(shè)計(jì)——以及驅(qū)動(dòng)器和車載電路——以重現(xiàn)一個(gè)具有所有相同功能的更小的機(jī)器人。

Jayaram說:“這次試驗(yàn)的奇妙之處在于，我們不必對(duì)之前的設(shè)計(jì)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(jī)器人之一。 

這項(xiàng)研究是由Jennifer Shum, Samantha Castellanos和E. Farrell Helbling共同撰寫的。這項(xiàng)研究得到了DARPA和維斯研究所的支持。

對(duì)蟑螂的誤解

對(duì)這位今年加入CU Boulder的工程師Jayaram來說，這個(gè)項(xiàng)目是一系列機(jī)器人設(shè)計(jì)中最新的一個(gè)，這些機(jī)器人的靈感來自一個(gè)不太可能的來源：令人厭惡的蟑螂。

Jayaram之前制造了一個(gè)名叫CRAM的小型機(jī)器人，它可以像城市里的害蟲一樣擠進(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(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(jì)用來模仿這種討厭昆蟲的速度和機(jī)動(dòng)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(dòng)力問題。這種尺寸的機(jī)器人不能使用傳統(tǒng)的馬達(dá)。當(dāng)它們太小的時(shí)候就會(huì)過熱。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)改變一些控制步長和關(guān)節(jié)剛度的原則，因此研究人員還開發(fā)了一個(gè)模型，可以根據(jù)目標(biāo)尺寸預(yù)測運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，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(jì)具有所需規(guī)范的系統(tǒng)。

Jayaram解釋說，為了制造這么小的機(jī)器人，研究人員首先用激光將機(jī)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?cè)谄矫嫔习阉袞|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(shí)間才能讓它工作?！?/p>

小小機(jī)器人，大有希望

這些讓眼睛的疼痛得到了回報(bào)：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(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。

HAMR-JR只是一個(gè)開始，Jayaram補(bǔ)充道。理論上，工程師們可以用他的團(tuán)隊(duì)同樣的方法制造出更小的機(jī)器人——鉛筆橡皮或者更小。

“我們證明了我們的設(shè)計(jì)和制造方法是高度可擴(kuò)展的?！盝ayaram說，“我們可以把所有東西縮小或放大，機(jī)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(gè)有6條或8條腿的微型機(jī)器人來取代HAMR-JR的4條腿?那么，如果一個(gè)小機(jī)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(shí)候，沒有什么是你做不到的。

“我對(duì)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(jī)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(jī)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(duì)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(jī)器人青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。

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(xiàng)研究表明,微型機(jī)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(jī)器人。

HAMR重1.65克(相當(dāng)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(dá)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面臨著來自水的巨大挑戰(zhàn)。一種相當(dāng)于機(jī)器人重量兩倍的水面張力向下壓在機(jī)器人身上，此外，這種誘導(dǎo)力矩還會(huì)大大增加機(jī)器人后腿的摩擦力。

研究人員加固了機(jī)器人的傳動(dòng)裝置，并在機(jī)器人的前腿上安裝了軟墊，以增加負(fù)載能力，并在爬升過程中重新分配摩擦力。最后，爬上一個(gè)適當(dāng)?shù)男逼?，機(jī)器人就能跳出水面。