史上最小“變速箱”登Science Robotics，僅3毫米為微型機(jī)器人持續(xù)提供動(dòng)力

大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

馬克斯·普朗克研究所和哈工大合作的最新研究成果，解決了微型機(jī)器人多年的難題。

1959年，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾預(yù)言，人類未來(lái)可以“吞下外科醫(yī)生”。

這里的外科醫(yī)生指的是比頭發(fā)絲還細(xì)小的微型機(jī)器人，可以把它們?nèi)俗⑸涞饺梭w內(nèi)，通過(guò)血管到達(dá)指定位置進(jìn)行手術(shù)。

但萬(wàn)一“外科醫(yī)生”在體內(nèi)動(dòng)力不足、無(wú)法控制了怎么辦？可能就要轉(zhuǎn)變成醫(yī)鬧了。

這確實(shí)是需要擔(dān)心的一點(diǎn)，因?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人實(shí)在太小，無(wú)法攜帶自己的“發(fā)電廠”，所以大多數(shù)微型機(jī)器人使用外部磁場(chǎng)進(jìn)行操作。然而，隨著機(jī)器人變得越來(lái)越小，它們的力量會(huì)因?yàn)橘|(zhì)量太小而減弱。

馬克斯·普朗克研究所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員現(xiàn)在找到了一種辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種可以無(wú)線連接的微型驅(qū)動(dòng)變速箱，最大尺寸為3毫米，重量只有13.2毫克，并將變速箱應(yīng)用于多款微型機(jī)器人上，可以驅(qū)動(dòng)進(jìn)行爬行、跳躍、抓取物體等動(dòng)作。

磁力驅(qū)動(dòng)齒輪箱讓機(jī)器人更自由

有效驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：

1.讓微型機(jī)器人始終動(dòng)力十足；

2.實(shí)現(xiàn)無(wú)線化驅(qū)動(dòng)。（畢竟不能帶著根電線吞進(jìn)肚子里）

結(jié)合以上兩點(diǎn)，外部磁場(chǎng)并不是最佳方案，需要將磁鐵放置在非?？拷鼨C(jī)器人的位置才能達(dá)到相當(dāng)高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這限制了其在機(jī)器?遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源的場(chǎng)景中的應(yīng)用；通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)放大磁扭矩和力輸出是一種有效的替代方案，比如齒輪，可被用于磁力驅(qū)動(dòng)方案中，但集成電源的困難使這些齒輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)線化。

既然微型齒輪箱可行，那該如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線化呢？

馬克斯·普朗克研究所和哈工大的研究人員想了個(gè)辦法——使用旋轉(zhuǎn)永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，或具有彈性元件的磁力致動(dòng)器，就能實(shí)現(xiàn)無(wú)線驅(qū)動(dòng)齒輪箱，重復(fù)產(chǎn)生大的驅(qū)動(dòng)力、應(yīng)變和速度。

齒輪變速箱使用參考直徑可達(dá)270微米的微齒輪進(jìn)行組裝，并通過(guò)鑄造由鋁填充的環(huán)氧樹(shù)脂制成。通過(guò)連接到輸入軸上的磁盤，變速箱可以由不超過(guò)6.8毫特斯拉的旋轉(zhuǎn)外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，在40赫茲時(shí)產(chǎn)生高達(dá)0.182毫力頓米的扭矩。

賦予機(jī)器人更多性能：爬行、跳躍、夾持、穿刺注射

接下來(lái)才是實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，給幾種不同的微型機(jī)器人裝上變速箱，看看它們表現(xiàn)如何。

蠕動(dòng)機(jī)器人的每一段都設(shè)計(jì)為四面的Sarrus連桿機(jī)構(gòu)，研究人員使用了一個(gè)雙桿連桿來(lái)連接齒輪箱的輸出軸和Sarrus連桿的一端，通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)有節(jié)奏地收縮和擴(kuò)張。

不僅可以在地面上爬行，還可以進(jìn)入狹窄的管道：

受跳蚤啟發(fā)，研究人員還開(kāi)發(fā)了一個(gè)毫米級(jí)的跳躍機(jī)器人，通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人腿部彈簧的一拉一松，類似彈簧的能量可以產(chǎn)生壓力，然后立即釋放。

這種跳躍機(jī)制允許機(jī)器人反復(fù)跳躍，觸發(fā)后，25.2mg的機(jī)器人能夠在0.75 ms內(nèi)快速伸腿，起飛速度達(dá)到2.3 m/s，跳躍高度可達(dá)119 mm（38.4 身長(zhǎng)），水平位移可達(dá)218mm（70.3身長(zhǎng)）。

考慮到醫(yī)療應(yīng)用，研究人員還開(kāi)發(fā)了穿刺機(jī)器人和注射機(jī)器人，穿刺機(jī)器人可以用伸出針頭穿透物體，再縮回針來(lái)獲取樣本。

注射機(jī)器人將液體吸收到腔室中，齒輪箱可以拉伸彈性儲(chǔ)存器，注射液體時(shí)，將輸出軸旋轉(zhuǎn)到另一方向，排出彈性儲(chǔ)存液的液體。

除此之外還有夾持機(jī)器人，通過(guò)將夾具集成到平行彈性折疊機(jī)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的夾持和打開(kāi)，如圖，機(jī)器?快速捏緊凝膠后，被磁場(chǎng)拖拽，撕下?塊凝膠。

未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化

這項(xiàng)研究發(fā)表在《Science Robotics》中，由馬克斯·普朗克研究所的一組研究人員與哈爾濱工業(yè)大學(xué)的兩位同事合作開(kāi)發(fā)，論文標(biāo)題為“Magnetically actuated gearbox for the wireless control of millimeter-scale robots”。

在論文的末尾，研究人員表示，開(kāi)發(fā)下一代磁驅(qū)動(dòng)微型齒輪箱仍需克服，未來(lái)會(huì)進(jìn)一步考慮以下方面：

首先，變速箱的最大輸出扭矩和密度受到環(huán)氧樹(shù)脂材料強(qiáng)度的限制，使用強(qiáng)度更高的材料制造齒輪將增加其負(fù)載能力。

其次，變速箱內(nèi)部的齒輪系對(duì)外部空間是開(kāi)放的，使得它容易受到周圍環(huán)境中的?顆粒的影響，?顆粒會(huì)粘附在輪齒表面，降低齒輪嚙合質(zhì)量。需要一個(gè)防護(hù)罩將齒輪與周圍環(huán)境，使齒輪箱在灰塵等?顆粒的存在下也能正常工作。

第三，齒輪箱的制造需要手動(dòng)組裝，這降低了制造效率。      

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DOI: 10.1126/scirobotics.abo4401