速度与控制的完美结合

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本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：刘芳，编审：王新凯，36氪经授权发布。

在卡夫卡的《变形记》里，推销员格里高尔某天早上醒来后变成了一只大甲虫。他由此遭到了家人和社会的唾弃，郁郁而终。如果卡夫卡今天还在的话，他可能要为自己的小说重写一下续集了。因为对科学家们来说，昆虫是他们制作微型仿生机器人大的灵感来源之一。

前不久，加州大学伯克利分校 (University of California，berkeley) 的科学家们以昆虫的粘性脚掌为灵感，成功创造出一个具有高度灵敏性的小型软体机器人。它能够轻松地在各种复杂环境中穿梭，可以像猎豹一样敏捷地转向从而迅速避开意想不到的障碍物。更厉害的是，它可以在被一个 55 公斤的人类踩在脚下时幸存下来，就像一只打不死的小强。

研究团队认为，这款机器人可在灾难性事件发生后，通过在废墟中携带传感器，像蟑螂一样快速移动，并在搜救行动中记录和传输有价值的信息。

该研究论文以 Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control 为题，发表在近期的 Science Robotics 上。

速度与控制的完美结合

在 2019 年的一篇论文中，该研究团队就曾展示过一种类似小强的机器人，它可以以每秒 20 个身体长度 (约合每小时 1.5 英里) 的速度在平坦的表面上疾驰而过，相当于真的蟑螂可以达到的速度，也是目前像昆虫一样的仿生机器人中最快的速度。

加州大学伯克利分校 (UC berkeley) 机械工程教授林立伟 (Liwei Lin) 说，“我们最初的机器人可以非常迅速地移动，但却无法控制它是向左还是向右转。而且很多时候它会随机移动，因为如果制造过程中有微小的不同导致机器人不对称的话，它就会转向一边。”

因此在今年，这个团队带领着升级版的 “小强机器人” 回来了。

在最新研究中，研究小组在机器人上增加了两个静电脚掌。这个想法来自于许多昆虫的粘性脚掌。正如《变形记》所描述的一样，它们可以迅速爬上墙壁，倒在天花板上行走，从而在没有人敢去的地方粘附在表面上。

研究小组通过一根小电线实现供电和控制，展示机器人的大部分技能。论文称，对 “小强机器人” 的任何一个脚掌施加电压都会增加其和表面之间的静电，从而使机器人的脚掌更牢固地粘在表面上，并迫使机器人的其余部分绕这只脚旋转。这两个脚掌使研究人员可以完全控制机器人的轨迹，并允许机器人以超过大多数昆虫的向心加速度转弯。

机器人主体由弯曲的单晶片压电薄膜结构构成，且除了带电线的版本以外，团队还尝试了用电池来供电的版本。

为了展示机器人的敏捷性， 研究团队拍摄了带线机器人在乐高迷宫中行走的过程。这个带着脚垫的小家伙体型为 3 厘米乘 1.5 厘米、体重为 65 毫克。它穿过 120 厘米长的迷宫仅仅耗时 5.6 秒，远远超过了一般昆虫的水平。不仅如此，这两个小脚垫还让机器人在转向时有着非凡的向心加速度。在另一项实验中，它的向心加速度达到了 28bL/S2，和猎豹几乎相同。

打不死的小强

史上最快的速度和向心加速度还并不能满足研究人员的好奇心。研究人员希望进一步研究这款仿生机器人的稳健性和抗击打能力。于是，正如《卡夫卡》小说中描写的那样，研究人员对机器人进行了 “无情” 的碾压。

首先，研究团队将一个比机器人本身重 200 倍的盒子从离地面 50 厘米处扔下，击中了 “小强机器人”。在被盒子整个压扁以后，“打不死的小强” 在短短 40 毫秒内迅速恢复。研究人员表示，虽然在它的移动方向发生了变化，但相对速度保持在 7.7 bL/s 没有减弱。

不仅如此，某位体重为 55.3 公斤的研究人员还直接将脚踩在了这款机器人身上，即使这样也没能摧毁它强劲的 “生命力”。

另一项测试表明，带着小脚垫的 “小强机器人” 可以在 0.29 秒内爬上 2.4 毫米高的台阶（大约是机器人高度的一半）来越过小障碍物。

为了进一步研究 “小强机器人” 在实际生活中的应用，研究人员在机器人上增加了一个商用的 180-mg 气体传感器。它比机器人重约 2.8 倍，以检测气体泄漏 。之后，团队用乐高积木制称了一个管道，其中有一个指定的乙醇气体泄漏点。携带气体传感器的机器人可以通过九个临时停靠点（每个停靠点 60 秒）完成设计的路线，以记录气体浓度路线图。

研究人员表示，这项测试结果说明了 “小强机器人” 在实际应用中的关键能力，包括但不限于连接气体传感器以进行危险的气体检测任务，以及连接其他传感器和摄像头以实现传感和监视功能。

不受限制的无电线版本

除了带线版本的 “小强机器人” 外，这款仿生软体机器人还配有无绳版本。

它的体型为 2.4 厘米乘 2.2 厘米，体重为 240 毫克，有效载荷为 1.66 克，包括电池和两个光电传感器，以及一块柔性电路板。具体来说，一个没有携带任何有效载荷的无线机器人直线运动速度为 3.4 bL/s。在背上 1.66 g 载荷时，其速度下降为 1.2 bL/s。在载荷为 2.5 g 时速度进一步降低到 0.4 bL/s。

而且受昆虫触角导航和畏光行为的启发，研究团队使用两个光敏电阻通过模拟控制方案来实现机器人的转向功能，进行光诱导运动调节控制，可以在 36.9 秒内完成一条指定的 27.9 厘米长的 “S” 形路径。在携带气体传感器工作的情况下，无线版本的机器人可依靠电池工作 19 分 31 秒。

加州大学伯克利分校的机械工程教授林立伟（Liwei Lin）说：“如今大的挑战之一，是制造能匹配大型机器人动力和控制力的小型机器人。对于大型机器人来说，装载大号电池和控制系统很简单。但是当试着把机器人各部件不断缩小尺寸时，这些设备对机器人来说就变得很难携带，会使机器人移动得非常缓慢。”

相信随着 “小强机器人” 的出现，人类在昆虫类仿生机器人的道路上又迈进了一步。“打不死的小强” 会继续给科学家们带来源源不断的灵感和力量。

参考资料：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe7906

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