全球最小四足机器人比蚂蚁脸还小,了解生物运动之迷和系统进化!

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02-21 15:02

导读:

美国马里兰大学 Ryan St. Pierre 教授于近日打破两年多前自家创下的记录,研发了世界上最小四足机器人。Ryan St. Pierre 教授与 Walker Gosrich、Sarah Bergbreiter 合写的关于这个项目的论文「A 3D-Printed1-mg Legged Microrobot Running at 15 Body Lengths per Second」,在 2018 Hilton Head Solid-State Sensors, Actuators andMicrosystems Workshop 会议上获得最佳论文奖。

当年 ICRA 2016 上最小的机器人

在 2016 年的 IEEE 机器人与自动化国际会议(ICRA 2016)上,一个重量不足 2 克的机器人成为当时世界上最小的机器人。它的研发者是马里兰大学 Sarah Bergbreiter 实验室的设计师 Ryan St. Pierre。

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这个机器人只有 20 毫米长,臀部距离地面高度为 5.6 毫米,重量约为 1.6 克。它并不是个全自动化的机器人,更像是一块小磁铁。通过磁力驱动,它可以在任何表面行进,在平坦地面上的移动速度约为 78 毫米/秒。

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后来,又有很多微型机器人相继出现。

比如麻省理工学院研究者们创造的只有人类卵细胞大小的机器人,可以感知周围的环境、存储数据以及开展一些计算任务。

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瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 等高校的研究人员受细菌启发,联合研发出的一种可以在有黏性或快速流动的液体中游动的微型机器人。

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让机器人变得越来越小,对于一些科学家来说是个有趣的挑战。

时隔两年,小了 10 倍!

时隔两年多,马里兰大学的 Ryan St. Pierre 教授又「打破纪录」, 研发了一款与原先的「小磁铁」设计基本相同,但比原先小了 10 倍的四足机器人。

它只有 1 毫克重,2.5 毫米长,比蚂蚁的头还小。

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和那些模拟昆虫外形的微型机器人相比,这个机器人的外观看起来似乎较为普通。准确的说,这款机器人是最小的用腿移动得最快的微型机器人之一。那些比它更小的微型机器人,通常不采用腿作为移动方式。

下图是运动中的该机器人,

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似乎很难凭想象知道它到底有多小,把它与干燥处理后的子弹蚁(Paraponera clavata)头部对比一下:

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这个微型机器人的尺寸是 2.5 毫米×1.6 毫米×0.7 毫米。别看它如此娇小,它的设计其实是基于像 RHex 那样的旋转腿机器人,而 Rhex 的质量是它的 100 多万倍。

腾跃式步态及不同步态的优势

你有没有发现,这个小机器人跑起来并不慢。其运动速度可达 37.3 毫米/秒,相当于每秒可前进近 15 个身长的距离。

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与它的前辈一样,这款机器人小到无法使用传统的电机或电子产品来「赋能」。它的腿由外部磁场驱动,磁场作用在嵌入机器人臀部的微小立方体磁体上带动机器人四足转动,推动机器人前进。

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所有的磁体以相同的方向安装在其臀部,如此一来,它能实现一种腾跃式的步态,不过,通过稍微调整一下这些磁体,可以实现前倾、慢跑、摇摆等其他步态。这款机器人的「抗疲劳能力「似乎也很强大,在 100 万个驱动周期测试后,「没有明显的磨损或性能下降的迹象」。

Ryan St. Pierre 教授表示,选择这种腾跃式步态,以及不同步态的潜在好处是可以通过选择磁体相对于彼此的方向来物理方式地编程步态。最初,他将所有四块磁体以相同的方向安装,制作出了腾跃式步态。在后来的迭代中,Ryan 则通过使对角线磁体的方向相似实现了一种小跑步。当涉及在平滑和粗糙的地形上运动时,选择怎样的步态最终是一个重要的问题,甚至可能需要在遇到不同的地形时改变步态,而这是目前通过磁力驱动无法实现的。

小身形,有大作用

更小的机器人可以到达大型机器人无法到达的地方,各种尺寸的应用也将增加机器人的用武之地。

研究人员称,这项工作最直接的应用是理解毫克级机器人和生物的腿式运动的动力学,并建立关于蚂蚁如何奔跑的更有代表性的物理和计算模型。

例如,为研究蚂蚁如何运动提供了一个更加直观的模型。随着对这一量级物体动力学的了解不断深入,研究者们可以以此为指导,设计出具有更多功能的微型机器人。「对毫克级运动基本原理的更好理解也将为这些小尺寸自主机器人的设计和控制提供依据。」

还能变得更小吗?

下一步,Ryan 还将继续研究并制作更小的机器人。他认为这取决于磁性材料和机器人主体的可用制造技术。

当机器人体积过小,关节在运动中产生的摩擦力将变成影响其运动的主要因素,这需要通过增加腿长来增加扭矩,然而,「大长腿」会一定程度上降低运动效率。因此,下一代最小四足机器人或许很难再沿用现在的外观设计和驱动模式。

Ryan 教授在论文中表示,要想把机器人缩小到比目前的 1 毫克的还要小,最终可能需要改变运动策略。但是,缩小尺寸、并使用相同的设计和驱动技术,也将有助于深入了解陆地生物的腿部运动,解开运动的基本限制之谜,并可能让我们得以了解生物系统中的进化压力。

最后附上小机器人运动的视频:

本文来自微信公众号机器人大讲堂(ID:RoboSpeak),作者为徐小编,爱范儿经授权发布,文章为作者观点,不代表爱范儿立场。

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