《科學(xué)》子刊：喝“假酒”，干重活的機(jī)器人來了

　　機(jī)器人通常使用電池或插座供電，但一款名為“RoBeetle”的機(jī)器人卻有點(diǎn)不同。這種和昆蟲一般大小的微型機(jī)器人，重量不足 1 克，卻能拖運(yùn)自身重量 2.6 倍的物體。最特別的是，它是依靠甲醇來供能的。

　　甲醇是一種常見于溶劑和防凍劑中的有機(jī)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比電池更多，這就意味著甲醇驅(qū)動的微型機(jī)器人不再需要附加外部電源，比如電線、電磁場。從理論上講，這種機(jī)器人比電力驅(qū)動的同類擁有更多的自主權(quán)，同時又能保持很小的尺寸。

　　在最新一期的《科學(xué)·機(jī)器人》中，來自南加州大學(xué)的研究者向公眾介紹了這款名為“RoBeetle”的機(jī)器人。他們設(shè)計(jì)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加快甲醇蒸汽的燃燒。這一過程產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致機(jī)器人腿部的電線縮短，待冷卻后重新伸展，以此驅(qū)動 RoBeetle 的運(yùn)動。

　　RoBeetle 重量僅有 88 毫克，能夠拖運(yùn)自身重量 2.6 倍的物體。它可以額外攜帶 95 毫克的燃料，續(xù)航時間長達(dá) 2 個小時。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。

　　在未來的研究中，研究者需要進(jìn)一步探索如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的燃料添加功能，從而在更長的時間內(nèi)持續(xù)供能。此外，如果能夠?qū)?nbsp;RoBeetle 進(jìn)行編程并實(shí)現(xiàn)與操作者通信，那么這款機(jī)器人還能用于人工授粉或協(xié)助手術(shù)等更多場景。

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

　　RoBeetle 技術(shù)詳解

　　用于微型機(jī)器人驅(qū)動的催化人造肌肉

　　為了創(chuàng)建能夠驅(qū)動昆蟲大小爬蟲機(jī)器人的 2H 微致動器，研究者將燃料的 HEDs（下圖 1A）和 SMAs 的 HWDs（下圖 1B）結(jié)合起來。

圖 1：實(shí)現(xiàn)微致動的能量源和致動方法。

　　致動機(jī)制的核心組件是下圖 2A 中的人造肌肉，它包含一個鎳鈦合金核（NiTi core）和一個凝集鉑（Pt）粉的外催化層。在操作過程中，復(fù)合線材（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(fù)合線材表面的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）圖像，它們是通過在《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副回路，其中應(yīng)力為 164MPa，并與驅(qū)動 RoBeetle 原型的 9.8mm 長 NiTi-Pt 線連接。主回路指的是加熱冷卻回路，在這個過程中，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(fù)合線材的制作過程。

　　設(shè)計(jì)原理 Design of RoBeetle

　　為了驗(yàn)證 2H NiTi-Pt 致動器的性能，研究者創(chuàng)建了自動 RoBeetle 的原型，具體如下圖 3A 所示。RoBeetle 通過基于可變摩擦的運(yùn)動方式來實(shí)現(xiàn)爬行。但是，本研究提出的致動方法可以賦能一系列微型機(jī)器人平臺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走、跳躍、游泳和飛翔動作。

　　下圖 3B 展示了致動、感知和反饋控制的聯(lián)合機(jī)制；圖 3C 至 3H 展示了實(shí)現(xiàn)自主操作所需的所有組件，包括 NiTi-Pt 復(fù)合線材、MCM 以及燃料箱和其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖 3：RoBeetle 的設(shè)計(jì)原理。

　　就功能而言，這些組件分為以下四類：

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

2. 第二類由 MCM 組件組成，即燃料艙蓋和滑動閘板（圖 3E）；

3. 第三類由構(gòu)成致動機(jī)制的組件組成，包括 NiTi-Pt 線和傳動裝置（圖 3E）、葉片彈簧（圖 3C 和 3G）、以及用于安裝葉片彈簧的兩個喇叭狀靜態(tài)臂和支撐復(fù)合線的后錨塊夾具（圖 3C）；

4. 第四類由帶爪的仿生微型機(jī)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 Pachnoda marginata peregrina 的摩擦機(jī)制。

　　實(shí)驗(yàn)

　　系留固定實(shí)驗(yàn)

　　為了獲取適合 MCM 設(shè)計(jì)的參數(shù)，該研究使用了多個 RoBeetle 原型來進(jìn)行一系列系留實(shí)驗(yàn)。

　　具體來說，研究者測量了與微型機(jī)器人操作相關(guān)的最相關(guān)變量，包括 NiTi-Pt 線的表面溫度和產(chǎn)生的自振蕩致動應(yīng)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(yàn)。

　　自主運(yùn)動

　　為了驗(yàn)證提出的致動方法并探究 RoBeetle 原型的運(yùn)動性能，研究者進(jìn)行了兩種類型的實(shí)驗(yàn)：靜止（stationary）條件和平緩移動條件下的自主爬行。這兩個實(shí)驗(yàn)旨在根據(jù)平均爬行速度來突出最壞和最佳情況下的操作條件。

　　下圖 5A 中展示了第一類運(yùn)動測試的實(shí)例，圖 5B 展示了第二類運(yùn)動測試的實(shí)例。與這兩個測試相對應(yīng)，機(jī)器人位置隨時間變化的情況如圖 5C 所示。

　　操作過程中，機(jī)器人后腿爪部到前腿爪部的距離隨著人造肌肉的收縮呈現(xiàn)周期性增加，同時隨著人造肌肉的延伸而距離縮小。

圖 5：該機(jī)器人在兩種環(huán)境條件下的自主運(yùn)動。

　　功能和運(yùn)動性能

　　從最基本的導(dǎo)航角度來看，自主地面機(jī)器人必須能夠爬坡、運(yùn)載有效載荷并在各種不同的表面上運(yùn)動。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(yàn)。

　　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° 傾斜度上攀爬的時候出現(xiàn)了下滑。與在水平面上相比，測得的相應(yīng)速度如下圖 6D 所示。

圖 6：在不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置下的運(yùn)動及其達(dá)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(jī)器人執(zhí)行簡單自動化任務(wù)時與環(huán)境的交互，具體如下圖 7 所示：

圖 7：機(jī)載射頻識別芯片實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與環(huán)境的交互。