爆炸驅(qū)動(dòng)的昆蟲(chóng)機(jī)器人可攜帶自重22倍負(fù)荷

CAMERON AUBIN

在9月14日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇名為Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots的論文（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067）中，康奈爾大學(xué)的研究人員用一臺(tái)非常微小、非常柔軟的內(nèi)燃機(jī)解決了小規(guī)模驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。甲烷蒸汽和氧氣被注入一個(gè)軟燃燒室，在那里一個(gè)小小的火花點(diǎn)燃了混合物。在半毫秒內(nèi)，腔室的頂部像活塞一樣向上膨脹，在每秒可以重復(fù)100次的循環(huán)中產(chǎn)生9.5牛頓的力。把其中兩個(gè)致動(dòng)器放在一起（一塊驅(qū)動(dòng)兩條腿），你就得到了一個(gè)非常強(qiáng)大的軟四足機(jī)器人。

為該機(jī)器人每條腿提供動(dòng)力的是兩個(gè)執(zhí)行器，重量?jī)H為 325 毫克，大約是一美分硬幣大小的四分之一。它們之所以如此小型，部分原因是大多數(shù)相關(guān)部件都在機(jī)外，包括燃料本身、混合和輸送燃料的系統(tǒng)以及火花發(fā)生器的電源。但是，即使沒(méi)有所有這些東西，致動(dòng)器也有一個(gè)束，使其能夠在高循環(huán)頻率下連續(xù)運(yùn)行而不會(huì)熔化。

SCIENCE ROBOTICS

這些工程成果中的第一個(gè)是一個(gè)小型昆蟲(chóng)規(guī)模的四足機(jī)器人，它利用其中兩個(gè)軟燃燒致動(dòng)器為每條腿提供動(dòng)力。這個(gè)機(jī)器人長(zhǎng)29毫米，重1.6克，但它可以直立跳躍59厘米，行走時(shí)的重量是它自身重量的22倍。Shepherd說(shuō)，對(duì)于昆蟲(chóng)規(guī)模的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這是“接近昆蟲(chóng)水平的表現(xiàn)，跳得非常高，速度非?？?，負(fù)載很大?！?/p>

康奈爾大學(xué)有機(jī)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Robert F.Shepherd說(shuō)：“有趣的是，這展示了小規(guī)模燃燒的威力能有多大?！苯昵埃覀儯ㄗ髡?，以下簡(jiǎn)稱(chēng)我）在2014年的IROS（https://spectrum.ieee.org/squishy-pink-robot-makes-explosive-jumps）上報(bào)道了Shepherd在燃燒動(dòng)力機(jī)器人方面的一些工作。但Shepherd告訴我們，小型化既有挑戰(zhàn)，也有好處。“我們?cè)诳扇細(xì)怏w體積的下限下運(yùn)行。這對(duì)科學(xué)來(lái)說(shuō)是一個(gè)有趣的地方，工程成果也很有用?！?/p>

這些工程成果中的第一個(gè)是一個(gè)小型昆蟲(chóng)規(guī)模的四足機(jī)器人，它利用其中兩個(gè)軟燃燒致動(dòng)器為每條腿提供動(dòng)力。這個(gè)機(jī)器人長(zhǎng)29毫米，重1.6克，但它可以直立跳躍59厘米，行走時(shí)的重量是它自身重量的22倍。Shepherd說(shuō)，對(duì)于昆蟲(chóng)規(guī)模的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這是“接近昆蟲(chóng)水平的表現(xiàn)，跳得非常高，速度非?？?，負(fù)載很大?！?/p>

由于致動(dòng)器移動(dòng)得太快，所以很難看到四足動(dòng)物實(shí)際上是如何行走的。每個(gè)致動(dòng)器控制機(jī)器人的一側(cè)，一個(gè)燃燒室用彈性體膜連接到每個(gè)腳部的燃燒室。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于動(dòng)力源是氣體壓力，你可以在燃燒室本身之外的某個(gè)地方實(shí)現(xiàn)這種壓力。同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)致動(dòng)器會(huì)使機(jī)器人向前移動(dòng)，而啟動(dòng)一側(cè)或另一側(cè)可以旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，從而提供一些方向控制。

Shepherd告訴我們：“研制出這種可操縱的昆蟲(chóng)級(jí)機(jī)器人需要大量的精力、迭代和智慧。它必須有腿嗎？不，它可能是一只快速的蛞蝓，也可能是一個(gè)撲翼的蜜蜂。這個(gè)系統(tǒng)可能的振幅和頻率允許所有這些可能性?！?/p>

讓這些致動(dòng)器稍微減速是研究人員下一步要研究的事情之一。通過(guò)用速度換取力量，我們的想法是制造出既能行走又能奔跑和跳躍的機(jī)器人。當(dāng)然，找到一種方法來(lái)解開(kāi)這些系統(tǒng)是自然的下一步。Shepherd告訴我們，他們正在考慮的其他一些事情非常瘋狂：“我們未來(lái)想探索的一個(gè)想法是，在大型機(jī)器人中使用這些小型而強(qiáng)大的致動(dòng)器作為大型、可變的補(bǔ)充肌肉組織。將數(shù)千個(gè)致動(dòng)器捆綁在剛性?xún)?nèi)骨骼上，可以實(shí)現(xiàn)靈巧、快速的陸基混合機(jī)器人。就我個(gè)人而言，我甚至很難想象這樣的機(jī)器人，但這就是它令人興奮的地方，對(duì)吧？—— 想象一下，一個(gè)肌肉發(fā)達(dá)的大型機(jī)器人，由成千上萬(wàn)的微小爆炸提供動(dòng)力?！?/p>

來(lái)自康奈爾大學(xué)的Cameron A.Aubin、Ronald H.Heisser、Ofek Peretz、Julia Timko、Jacqueline Lo、E.Farrell Helbling、Sadaf Sobhani、Amir D.Gat和Robert F.Shepherd所著的Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067）發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。