爆炸驅(qū)動的昆蟲機(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)的研究人員用一臺非常微小、非常柔軟的內(nèi)燃機(jī)解決了小規(guī)模驅(qū)動問題。甲烷蒸汽和氧氣被注入一個軟燃燒室，在那里一個小小的火花點(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。把其中兩個致動器放在一起（一塊驅(qū)動兩條腿），你就得到了一個非常強(qiáng)大的軟四足機(jī)器人。

為該機(jī)器人每條腿提供動力的是兩個執(zhí)行器，重量僅為 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，即使沒有所有這些東西，致動器也有一個束，使其能夠在高循環(huán)頻率下連續(xù)運(yùn)行而不會熔化。

SCIENCE ROBOTICS

這些工程成果中的第一個是一個小型昆蟲規(guī)模的四足機(jī)器人，它利用其中兩個軟燃燒致動器為每條腿提供動力。這個機(jī)器人長29毫米，重1.6克，但它可以直立跳躍59厘米，行走時的重量是它自身重量的22倍。Shepherd說，對于昆蟲規(guī)模的機(jī)器人來說，這是“接近昆蟲水平的表現(xiàn)，跳得非常高，速度非?？?，負(fù)載很大。”

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：“有趣的是，這展示了小規(guī)模燃燒的威力能有多大?！苯昵?，我們（作者，以下簡稱我）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。“我們在可燃?xì)怏w體積的下限下運(yùn)行。這對科學(xué)來說是一個有趣的地方，工程成果也很有用。”

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

由于致動器移動得太快，所以很難看到四足動物實(shí)際上是如何行走的。每個致動器控制機(jī)器人的一側(cè)，一個燃燒室用彈性體膜連接到每個腳部的燃燒室。這種驅(qū)動系統(tǒng)的一個優(yōu)點(diǎn)是，由于動力源是氣體壓力，你可以在燃燒室本身之外的某個地方實(shí)現(xiàn)這種壓力。同時啟動兩個致動器會使機(jī)器人向前移動，而啟動一側(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級機(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，也可能是一個撲翼的蜜蜂。這個系統(tǒng)可能的振幅和頻率允許所有這些可能性?！?/p>

讓這些致動器稍微減速是研究人員下一步要研究的事情之一。通過用速度換取力量，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，找到一種方法來解開這些系統(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：“我們未來想探索的一個想法是，在大型機(jī)器人中使用這些小型而強(qiáng)大的致動器作為大型、可變的補(bǔ)充肌肉組織。將數(shù)千個致動器捆綁在剛性內(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，對吧？—— 想象一下，一個肌肉發(fā)達(dá)的大型機(jī)器人，由成千上萬的微小爆炸提供動力?！?/p>

來自康奈爾大學(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。