踩不死的機器蟑螂，清華研究登上Science子刊

機器之心報道

參與：韓放、張倩

前段時間，「人類大虐『波士頓動力』機器人」的視頻在網上走紅，視頻中的人用各種重物擊打機器人，但卻沒有造成什麼傷害。當然，這只是段打著「Bosstown dynamics」水印的合成視頻。現實中的剛性機器人依然非常脆弱，但柔性機器人的耐受力可能要強得多，而且這種機器人一般結構簡單、成本較低。最近，來自清華大學和加州大學伯克利分校的研究人員在《Science Robotics》雜誌上展示了一個「紙條」形的小機器人，能以每秒 20 倍身長的速度移動，而且還經得起各種碾壓和踩踏。

論文地址：https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/32/eaax1594.full.pdf

如圖所示，這個原型機器人的尺寸僅 4.5 平方厘米（3 厘米乘 1.5 厘米），體重 64mg。它最大的特點是能經得住研究人員的各種「虐待」。比如，在它身上加個 100g 的砝碼：

讓一個 119 斤的人踩一腳：

走一個 15.6 度的斜坡（此處用到的機器人尺寸為 1x1.5cm^2，24mg）：

背一個 6 倍體重（406mg）的花生：

如此抗壓的機器人也就昆蟲界的蟑螂可以媲美了。而且，據研究人員介紹，在眾多已發表的昆蟲體型機器人中，這款機器人的速度是最快的。

構造和行進機制

構造

由於這個機器人非常小，我們利用掃描電子顯微鏡才能看到其內部構造。

上圖左上角是小機器人的橫截面掃描電鏡圖像，從上到下共分為 5 層：其中第一層和第三層都是 50nm 厚的鈀金電極（Pd/Au），中間夾著一層 18μm 厚的 PVDF 熱塑性層，最下面兩層則是 25μm 厚的硅粘合劑和 25μm 厚的 PET 材料。

此外，這個小機器人的下方還有能幫助前行的小腳。

運動機制

當交流電壓（低至 8 伏，但通常約 60 伏）通過電極時，其中的 PVDF 熱塑性層會發生周期性的伸展和收縮，導致機器人背部彎曲，而底下的小腳會發生移動，如下圖所示：

研究人員還將該機器人的運動與蟑螂進行了對比：

儘管形態上比較特別，但與蟑螂類似，這個機器人的運動形態也是波形的。

為了進一步研究小機器人的運動機制，研究人員利用高速攝像機記錄了其在 60V、200Hz 正弦交流電下的運動過程。如圖所示，在施加交流電的一個周期內，機器人的位置和狀態由（I）變到（V）。

狀態（I）處的電壓是-60V，機器人軀體伸展，前腿觸地（ground-touching），腹部懸空（aerial）。1.1 毫秒之後，電壓接近 0V，機器人恢復原狀，但前腿仍然保持觸地狀態，腹部也依舊懸空，但與地面的距離略小於（I）。狀態（III）處的電壓升至 60V，機器人軀體收縮，腿和腹部都保持觸地狀態。

從狀態（I）到狀態（III），機器人的身體由伸展狀態的近乎扁平到原始的彎曲狀態，再到收縮的進一步彎曲狀態。這種形狀變化使得機器人的腳可以撞擊地面，產生前進所需的反作用力。從狀態（III）到狀態（V），機器人身體發生類似的反向變化。

在高頻電壓驅動下，再加上多個地面影響因素和人工造成的改變，機器人的精確形狀變化和運動相當複雜。然而，通過改變設計和運算參數，可以優化機器人的前進速度。例如，下圖展示了在- 60 ~ 60v（黑線）驅動電壓下原型機器人的橫向位移（紅線）和縱向位移（藍線）實驗結果。

下圖比較了蟑螂垂直運動的兩步循環和本文中的機器人步態相對於時間的關係。

運動分析

我們可以觀察到這種機器人在運動中的四個主要姿勢：懸空、前觸、後觸和雙觸地。在每個姿勢中，機器人的身體可以根據當時施加的驅動信號進行伸展或收縮。總共有 8 種可能的配置（如下圖所示），其中灰色是先前的形狀，紅色是當前的形狀。在下圖中，G、Ff 和 Fa 分別是重力、前腿的反作用力和末端（腹部）的反作用力。機器人的形狀周期性地基於 PVDF 致動力而改變，以激發彎曲單壓電晶片結構的彈性振蕩。前腿和腹部的地面反作用力方向（圖中藍色箭頭）會根據機器人的姿勢和形狀變化而改變。

從高速攝影機拍攝的照片顯示了機器人收縮和伸展身體時的步態（從 A 到 D）。

運動速度比較

為了直觀地量化這個機器人的速度，研究人員將其與動物和其他機器人進行了對比，如下圖所示。

這張圖表顯示了一些哺乳動物（紫色區域）、節肢動物（橙色區域）和柔性機器人（藍色區域）相對於其體重的運行速度。對於哺乳動物和節肢動物來說，相對速度與體重成反比：速度隨著體重的減少而增加。然而，對於柔性機器人，這種關係似乎是相反的：速度隨著體重的下降而降低。但本文中的柔性機器人遵循與動物相似的規律：相對速度隨著體重的減少而增加。

圖表左上角的數字 39 是 1916 年在加利福尼亞州一塊岩石下發現的一種微小的蟎。這種蟎的大小不到 1 毫米，但它可以以每小時 0.8 公里的速度前進，即每秒 322 身長，使它成為迄今為止地球上最快的陸地動物。如果人的奔跑速度也能達到每秒 322 身長，我們的速度會在每小時 2000 公里左右。圖表左上角幾乎所有的點都是昆蟲的速度標度，這不是巧合，因為隨著質量的減少，執行器的作用也成比例地增加。

圖表上其他速度與質量比比較顯著的機器人是 27 號，這是一個來自 UMD 的磁驅動四足機器人。86 號也很優秀，它是加州大學伯克利分校的 X2-VelociRoACH

除了文中展示的這個小機器人外，研究人員還製作了一個兩條腿的原型，它能夠在空中停留更多的時間，因此奔跑速度也更快。研究人員表示，像這樣的機器人可以用於「環境探測、結構檢查、信息偵察和災難救援」。

這項工作無疑令人印象深刻，其速度和魯棒性在很大程度上是其他柔性機器人無法比擬的。由於驅動機器人所需的電壓相對較低，因此不安裝感測器似乎是可能的，如果他們也能在上面安裝一些花生大小的感測器，那麼實際應用可能很快就會出現。

參考鏈接：https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/surprisingly-speedy-soft-robot-survives-being-stepped-on

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