机器之心报道

编辑:陈萍、小舟

小小机器人能量大爆发,身体如昆虫一般大小,却可以携带 22 倍于自身重量的物品,爬行、跳跃都不是问题。

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高于自身几倍的跳台,机器人一下子就跳上去了:

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更高的高度也是可以的:

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负重物前行:

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这款机器人由来自康奈尔大学的研究者研发,该机器人长 29 毫米,重量仅为 1.6 克,可以垂直跳跃 59 厘米,并且可以携带 22 倍(36 克)于自身重量的物品行走。相关论文《Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots》发表在 Science 上。

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论文地址:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067

该研究利用内燃机解决了驱动小型机器人的问题。他们将甲烷蒸气和氧气注入燃烧室,再用微小火花点燃混合物。

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不到半毫秒,腔室顶部像活塞一样向上膨胀,每秒重复一百次的循环产生 9.5 牛顿的力。机器人的每条腿有两个执行器驱动,这样就得到了一个异常强大的软体四足机器人。

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为该机器人每条腿提供动力的是两个执行器,重量仅为 325 毫克,大约是一美分硬币大小的四分之一。它们之所以如此小型,部分原因是大多数相关部件都在机外,包括燃料本身、混合和输送燃料的系统以及火花发生器的电源。

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该研究的项目负责人、康奈尔大学材料工程师 Robert Shepherd 表示:「执行器看起来就像一个鼓,它是一个空心圆柱体,顶部有弹性硅橡胶。为了驱动执行器足以使机器人跳跃或爬行,我们将甲烷和氧气流注入到每只足中,并通过电池产生的电力产生火花。气体之间发生反应形成水和二氧化碳,以小爆炸的形式释放能量,导致橡胶层变形,就像活塞一样。」

Robert Shepherd 还表示:「微小的爆炸发生得如此之快,以至于没有火焰来燃烧或损坏橡胶。但它们提供了相当大的推进力:机器人可以跳到 56 厘米高,并能承载 22 倍于自身重量的负载。」

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方法介绍

该昆虫机器人最大的特点就是执行器需要处理实际的爆炸。这是一个很大的挑战,需要确保机器人在每次爆炸时不会自行燃烧。

执行器及其组件材料如下图 (A) 所示,燃烧执行循环如下图 (B) 所示。该执行器非常耐用,研究团队估计它可以连续运行超过 750000 个循环周期(50Hz 下 8.5 小时),而不会出现任何性能下降。

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执行器的性能主要受两个因素影响:一个是驱动频率 f,一个是燃料 - 氧化剂浓度 φ,φ 可以用如下公式描述:

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下图描述了执行器的性能与驱动频率和燃料 - 氧化剂浓度的关系:

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为了深入研究机器人的运动机制,该研究构建了一个简化的系统模型,其中考虑了几个关键因素,包括硅橡胶膜(执行器膜)的弹性、电池内的燃料流动、燃料释放的能量、压力和温度。使用这个模型,研究团队可以预测执行器膜的位移值、执行器的阻挡力(blocked force)、机器人的跳跃高度,以及作为驱动函数的排气流率(exhaust flow rate)。

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为了证明微型执行器在驱动昆虫级装置方面的有效性,该研究设计并制造的由燃烧驱动的四足机器人如图 3 (A) 所示。每个燃烧室都是独立的,分别用来驱动前脚和后脚(图 3 (B))。点火是通过火花来实现的,并导致腔室两端的弹性体膜膨胀(图 3 (C)(D))。图 3 (E) 显示了机器人的腿和足的理想示意图,并使用它来建模跳跃动力学。图 3 (F) 建立了一系列驱动频率下机器人跳跃高度的等效比函数模型。

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下面为机器人多步态功能的表征图。机器人可以通过修改燃料比和火花频率来切换运动方式。

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https://spectrum.ieee.org/explosive-robot-insect

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adk0522

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02900-2