【Connect 製造業 to the Future】打不死的「蟑螂機器人」跑超快,還能夠承受 100 萬倍體重的壓力!

打不死的機器蟑螂。圖片來源:Science Robotics

【為什麼我們要挑選這篇文章】蟑螂具有體積小、移動快等特性,是科學家打造仿生機器人的參考對象。近期北京清華大學和加州大學伯克利分校合作,一同打造一款像蟑螂的軟體機器人,而且具有自身體重 100 萬倍的抗壓能力。

這種特殊的機器人,未來有哪些應用場景?(責任編輯:郭家宏)

提到蟑螂,很多同學都深惡痛絶。

這種身型小巧的蟲子不僅跑得快、繁殖能力強,而且超級耐打耐壓,在所有的環境下都能頑強地生存下去。

也難怪周星馳在自己的電影裡,把蟑螂稱為「打不死的小強」。

但想像一下,如果你擁有一隻跑的又快、伸縮自如的蟑螂大軍,征服宇宙或許不再是夢想!

近日,(北京)清華大學和加州大學伯克利分校的研究人員就研發了一款超像「小強」的新型軟體機器人,不僅運動速度很快,而且真的像一隻打不死的小強一樣,比我們以前見過的任何機器人都更加「抗壓」。

從外形上看,這個機器人就像一張彎曲的紙條。但是它能以每秒 20 個身長的速度移動。

更值得一提的是,在被一個重達 60 kg 的成年人踩到後,這個機器人依然可以繼續運動。

此外,這個機器人還能爬上 15 度的陡坡,以及扛著自身重量 6 倍的花生穩定前進。

這一研究日前也登上了最新的 Science Robotics(科學機器人)雜誌。

論文的通訊作者是清華國家智能技術實驗室副教授張敏,同時也是清華大學天工智能計算研究中心的成員。團隊其他成員來自北京航空航天大學和加州大學伯克利分校,可謂是強強聯手、精英薈萃。

論文 傳送門

機器「蟑螂」可以承受自身體重 100 萬倍的重壓

這款「蟑螂」機器人只有 3 x 1.5 公分, 需要用掃描電子顯微鏡才能看到機器人的結構。

在顯微鏡下,可以看到這款機器人有一個 18 微米厚的聚偏氟乙烯層,兩個 50 奈米厚的鈀(Pd)/金(Au)電極(聚偏氟乙烯膜的頂部和底部),一個 25 微米厚的粘合性矽樹脂,和一個 25 微米厚的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板。

而這款機器人運動的方式就更加奇特了。利用交流電壓(低至 8 伏特,但通常約為 60 伏特)穿過電極時,熱塑性塑膠的伸展和收縮,從而使機器人向後彎曲並且「小步幅」的走動,完整的一個步進週期僅需 50 毫秒。

機器人的「運動」還有一個短暫的「騰空」階段。

來自高速攝影機的照片,顯示機器人的步態(A 到 D),它收縮並伸展其身體

而在穩定可靠方面,相比蟑螂可以承受 900 倍於自身體重的負荷而不受傷害,這款軟體機器人可以在被一個成年人(59.5 公斤)踩上之後,繼續工作(只有原來速度的一半),這個負載大約是它自身體重的 100 萬倍。

研究人員對這樣的表現還不是很滿意,於是準備再給「小強」加一條腿。

兩條腿的「小強」可以模擬飛馳式的步態,就像獵豹一樣可以拱起背部以增加步長和利用儲存的彈性能量。

利用了這種更有效的飛馳式步態機制,兩足機器人在類似驅動條件下的跑步速度是單足機器人的 3 倍。根據高速攝影機拍攝的步態,雙腿機器人的空中占空比(75%)比單足機器人(51%)提高了 24%,從而提高了移動速度。

與動物類似,質量越大相對速度越慢

無論是哺乳動物還是昆蟲,大家的直觀感受都是體重越大,跑的越慢,這裡跑的慢是指每秒行進的自身體長數更少。事實也是如此。

圖中顯示了一些哺乳動物(紫色區域)、節肢動物(粉色區域)相對於體重的移動速度,紫色區域和粉色區域,體重與相對運動速度呈負相關,即相對於哺乳動物和節肢動物,隨著體重的增加,相對速度會降低。

而對於軟機器人而言(藍色區域)這種關係似乎正好相反:隨著體重的增加,相對速度會逐漸提高,而隨著體重的減少,速度會降低,這主要是因為機器人需要一定質量的零件來支持運動。

而由(北京)清華大學和加州大學伯克利分校研製的這款小型軟機器人,the scaling law(速度相對於體重的變化定律)則與哺乳動物達到了一致:隨著體重的減少,相對速度越大(圖中紅星所示)。

這主要是因為這款機器人的相對運行速度與共振頻率呈正相關,所以在更高的共振頻率下運行可獲得更高的相對移動速度,所以結構簡單,無冗餘耗能零件的「小強」,工作效率更高。

儘管一些由磁場、濕度、熱源或光源驅動的軟機器人可以擁有快速的瞬時速度,但是反應緩慢,加上需要外部電源等龐大設備,以及磁場,都限制了它們的速度。

再仔細觀察上面的圖表,會發現一個很有意思的事情,數字 39 就在那張圖表上(左上角),這是 1916 年在加利福尼亞州的一塊岩石下發現的一種微小的蟎蟲。蟎蟲的大小不到 1 毫米 ,但它可以以每小時 0.8 公里的速度運行,即每秒 322 個身體長度,使它成為地球上相對於大小最快的陸地動物(至少兩倍)。

想像一下,如果我們人類擁有相同的速度體重比,我們將以每小時超過 2,000 公里的速度運動,成為新一代的超人,但這終歸只針對昆蟲,左上角的幾乎所有東西都是昆蟲,質量減小運動反而更加有利。

其他小型機器人:比螞蟻小的機器人、移動最快的腿型機器人

最近幾年,對於小型機器人的研究越來越多了。

例如來自 UMD 的磁力驅動的四足機器人,腿部由外部磁場控制,外部磁場作用於嵌入機器人臀部的微小立方體磁鐵。磁場的變化影響著磁鐵的變化,使得這款機器人能以高達 150 赫茲的速度驅動支腿。

透過將同方向的磁鐵安裝到臀部就可以實現一個步態,只要稍稍改變磁鐵方向,即可實現步態的變化。

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UMD 磁力驅動四足機器人與螞蟻對比

還有加州大學伯克利分校的 X2-VelociRoACH,它僅重 54 克,但 X2-VelociRoACH 可以每秒 4.9 公尺(17.6 公里/小時,或 11 英里/小時)的速度持續移動,是目前為止最快的腿式機器人,一眨眼功夫就會看不見蹤影。透過將其步幅頻率推向極值,研究人員探索並實現了有腿機器人能達到的最大速度。

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有腿的動物有兩種不同的增速方法:增加它們的步幅頻率(邁得更快),或是增加它們的步幅(邁得更遠)

軟體機器人的優點:成本低、耐壓、可處理精細動作

這款「小強」軟體機器人構造簡單、成本低、靈活自如,還能夠利用其獨特的設計和構造來移動並與環境互動。同時,因為沒有剛性零件的限制,可以承受其他類型機器人無法承受的「摧殘」,非常耐用。

這樣的軟體機器人速度又快,又能載重,穩定性還好,潛在的應用場景也相當廣泛。

比如,瑞士的聯邦理工學院(EPFL)開發了一種具有敏感抓地力的機器人,它可以靈活地抓起一顆雞蛋,或者拿起一張紙,也可以舉起比自身重 8 倍的重物。這個機器的手指都是由矽膠製成,其中嵌入了兩種不同類型的電極 :一種能夠彎曲手指以適應物體形狀;另一種使手指用電吸附物體,這和氣球經過頭髮摩擦後能黏在牆上的原理相同。

早在 2016 年,加州大學伯克利分校的科學家就曾模仿蟑螂,研發過軟體機器人 Roboroach,它能夠壓縮自身使身體變得平坦,縮到只有正常高度的四分之一。這種帶感測器的扁平機器人尚在研發,有望在倒塌的建築物瓦礫中進行工作。

相較於笨重的傳統機器人,軟體機器人在處理精細動作方面大有優勢,例如模仿章魚觸手製成的軟體機器人可以用於外科手術。事實上,大多數軟體機器人模仿的是無脊椎動物和昆蟲,由於有機矽和其他可彎曲材料的進步,這些機器人可以使用、展開、扭曲觸手,並且能夠從不同角度抓取物品,從而更好地適應環境。

原文報導 傳送門

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈跑得快,打不死!清华大学开发“小强”机器人,壮汉狂踩也挡不住前进步伐 〉。首圖來源:Science Robotics

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