全球最小四足機(jī)器人：比螞蟻的頭還小

當(dāng)年ICRA 2016上最小的機(jī)器人

在2016年的IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議（ICRA 2016）上，一個(gè)重量不足2克的機(jī)器人成為當(dāng)時(shí)世界上最小的機(jī)器人。

這個(gè)機(jī)器人只有20毫米長(zhǎng)，臀部距離地面高度為5.6毫米，重量約為1.6克。

它并不是個(gè)全自動(dòng)化的機(jī)器人，更像是一塊小磁鐵。通過磁力驅(qū)動(dòng)，它可以在任何表面行進(jìn)，在平坦地面上的移動(dòng)速度約為78毫米/秒。

后來，又有很多微型機(jī)器人相繼出現(xiàn)。

比如麻省理工學(xué)院研究者們創(chuàng)造的只有人類卵細(xì)胞大小的機(jī)器人，可以感知周圍的環(huán)境、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及開展一些計(jì)算任務(wù)。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)等高校的研究人員受細(xì)菌啟發(fā)，聯(lián)合研發(fā)出的一種可以在有黏性或快速流動(dòng)的液體中游動(dòng)的微型機(jī)器人。

讓機(jī)器人變得越來越小，對(duì)于一些科學(xué)家來說是個(gè)有趣的挑戰(zhàn)。

時(shí)隔兩年，小了10倍！

研發(fā)了一款與原先的“小磁鐵”設(shè)計(jì)基本相同，但比原先小了10倍的四足機(jī)器人。

時(shí)隔兩年多，馬里蘭大學(xué)的Ryan St. Pierre教授又“打破紀(jì)錄”,

它只有1毫克重，2.5毫米長(zhǎng)，比螞蟻的頭還小。

準(zhǔn)確的說，這款機(jī)器人是最小的用腿移動(dòng)得最快的微型機(jī)器人之一。

和那些模擬昆蟲外形的微型機(jī)器人相比，這個(gè)機(jī)器人的外觀看起來似乎較為普通。那些比它更小的微型機(jī)器人，通常不采用腿作為移動(dòng)方式。

似乎很難憑想象知道它到底有多小，把它與干燥處理后的子彈蟻(Paraponera clavata)頭部對(duì)比一下：

它的設(shè)計(jì)其實(shí)是基于像RHex那樣的旋轉(zhuǎn)腿機(jī)器人，而Rhex的質(zhì)量是它的100多萬倍。

這個(gè)微型機(jī)器人的尺寸是2.5毫米×1.6毫米×0.7毫米。別看它如此嬌小，

騰躍式步態(tài)及不同步態(tài)的優(yōu)勢(shì)

其運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)37.3毫米/秒，相當(dāng)于每秒可前進(jìn)近15個(gè)身長(zhǎng)的距離。

你有沒有發(fā)現(xiàn)，這個(gè)小機(jī)器人跑起來并不慢。

它的腿由外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，磁場(chǎng)作用在嵌入機(jī)器人臀部的微小立方體磁體上帶動(dòng)機(jī)器人四足轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

與它的前輩一樣，這款機(jī)器人小到無法使用傳統(tǒng)的電機(jī)或電子產(chǎn)品來“賦能”。

這款機(jī)器人的“抗疲勞能力“似乎也很強(qiáng)大，

所有的磁體以相同的方向安裝在其臀部，如此一來，它能實(shí)現(xiàn)一種騰躍式的步態(tài)，不過，通過稍微調(diào)整一下這些磁體，可以實(shí)現(xiàn)前傾、慢跑、搖擺等其他步態(tài)。在100萬個(gè)驅(qū)動(dòng)周期測(cè)試后，“沒有明顯的磨損或性能下降的跡象”。

選擇這種騰躍式步態(tài)，以及不同步態(tài)的潛在好處是可以通過選擇磁體相對(duì)于彼此的方向來物理方式地編程步態(tài)。

Ryan St. Pierre教授表示，最初，他將所有四塊磁體以相同的方向安裝，制作出了騰躍式步態(tài)。在后來的迭代中，Ryan則通過使對(duì)角線磁體的方向相似實(shí)現(xiàn)了一種小跑步。當(dāng)涉及在平滑和粗糙的地形上運(yùn)動(dòng)時(shí)，選擇怎樣的步態(tài)最終是一個(gè)重要的問題，甚至可能需要在遇到不同的地形時(shí)改變步態(tài)，而這是目前通過磁力驅(qū)動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)的。

小身形，有大作用

更小的機(jī)器人可以到達(dá)大型機(jī)器人無法到達(dá)的地方，各種尺寸的應(yīng)用也將增加機(jī)器人的用武之地。

這項(xiàng)工作最直接的應(yīng)用是理解毫克級(jí)機(jī)器人和生物的腿式運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)，并建立關(guān)于螞蟻如何奔跑的更有代表性的物理和計(jì)算模型。

例如，為研究螞蟻如何運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)更加直觀的模型。隨著對(duì)這一量級(jí)物體動(dòng)力學(xué)的了解不斷深入，研究者們可以以此為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出具有更多功能的微型機(jī)器人。“對(duì)毫克級(jí)運(yùn)動(dòng)基本原理的更好理解也將為這些小尺寸自主機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制提供依據(jù)。”

還能變得更小嗎？

下一步，Ryan還將繼續(xù)研究并制作更小的機(jī)器人。

他認(rèn)為這取決于磁性材料和機(jī)器人主體的可用制造技術(shù)。

因此，下一代最小四足機(jī)器人或許很難再沿用現(xiàn)在的外觀設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)模式。

當(dāng)機(jī)器人體積過小，關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的摩擦力將變成影響其運(yùn)動(dòng)的主要因素，這需要通過增加腿長(zhǎng)來增加扭矩，然而，“大長(zhǎng)腿”會(huì)一定程度上降低運(yùn)動(dòng)效率。

Ryan教授在論文中表示，要想把機(jī)器人縮小到比目前的1毫克的還要小，最終可能需要改變運(yùn)動(dòng)策略。但是，縮小尺寸、并使用相同的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，也將有助于深入了解陸地生物的腿部運(yùn)動(dòng)，解開運(yùn)動(dòng)的基本限制之謎，并可能讓我們得以了解生物系統(tǒng)中的進(jìn)化壓力。

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