近日，电子科技大学机械与电气工程学院研究团队在《自然—通讯》上发表研究论文，报道了一款新型具备高机动性与强稳健性的“电子蟑螂”软体微型机器人。
得名“蟑螂”，是因为其特性。这款机器人个头小，重约1克、长约2厘米，可容身并行动于狭小空间。而且它跑得快，行走直线速度可达9.6cm/s，一秒内可实现原地转弯280°。它还特别灵活，就算从高处跌落被迫“翻了个身”，也能继续爬行。
更有趣的是，这款机器人拥有着“小强”般的生命力，就算受到120斤的外力，依旧毫发无损。
未来的某天，这只“小强”也许就会现身灾害救援、管道巡检的现场，在人去不到或肉眼难以观察的角落，辅助巡视、侦察等工作。
“小强”为何踩不死？柔性结构和材料“护身”
从外形上看，“电子蟑螂”机器人更像一张四方桌。
“桌面”似绿色的方片，实则是由柔性压电材料制成的驱动器，相当于“蟑螂”的“人工肌肉”，调控着它的行动轨迹。
与“人工肌肉”平行的下方框架上，分布着电池、控制电路、传感器等部件，凭借直径只有头发丝四分之一的细线和“人工肌肉”相连。操作人员通过手机蓝牙发送信号至电路板，就能远程给机器人下达行动指令。
电子科技大学副教授吴一川向《中国科学报》记者展示了一个实验视频。视频中，用直尺压、或用脚踩“电子蟑螂”后，它都能保持良好的运行状态，无明显变形。而且用脚踩时，脚下的体重器显示，重量已达120斤。
“‘电子蟑螂’拥有者‘小强’一样的生命力，能够承载相当于自身重量900倍的压力。”吴一川说道。
而“踩不死”的原因在于，其拥有良好的韧性和抗冲击性能。
“首先机器人选取的制作材料是柔性的，包括机器人的‘腿’，以及集成原件所选取的都是耐用，且不易变形的材料。”吴一川解释，机器人结构的也相当于一副柔性外骨骼，使其拥有较强的稳健性。受到外力时，可以迅速折叠，保护重要部件不受损，又能在外力解除后迅速恢复。
不仅如此，作为一种昆虫仿生微型机器人，“电子蟑螂”还克服了普通昆虫运动“短板”。
“我们常在户外看到，昆虫一旦被翻倒，基本动弹不得，看着像死了，其实还活着，想要靠自己翻身得费好大的劲儿。”吴一川表示，“电子蟑螂”就没有这种烦恼，即使“四脚朝天”，其“人工肌肉”仍能精准控制运动轨迹，来去自如。
一片“人工肌肉”的作用
在演示视频中，“电子蟑螂”能够在平面上灵活完成前进、后退、转弯等一系列动作。支撑其复杂运动轨迹的，仅是单独一片薄薄的“人工肌肉”。这背后的设计原理，正是这款机器人的核心技术难题。
这一设计灵感，来源于团队一次偶然的发现。当时他们正在做机器人运动实验，突然注意到重量较轻的机器人，会随着身上部件振动频率的不同，作出超出设计预想的爬行方向，例如突然前进、后退或转弯。
“是不是可以利用振动频率，来精确调控机器人的行动轨迹呢？”团队成员脑海中，跳出了新的想法。
吴一川举例，打火机的打火石，正是靠摩擦产生火花，原理是机械能转化成了电能，并引燃燃料。而团队的设计思路，就是在驱动器上完成电能向机械能的转化，使得机器人基于不同的振动频率完成不同的动作。
所以他们先选择了合适的材料，做成一小片“人工肌肉”，对其施加不同电压频率，发生弯曲后带动四条腿“同频共振”。
但一开始都是团队的设想和推测。团队负责人、电子科技大学教授彭倍介绍，反复验证过程中，团队利用每秒钟能拍摄4000张照片的高速摄像机，捕捉了搭载“人工肌肉”的机器人在不同频率振动下的运动情况。
团队发现，不同频率下机器人腿部呈现出多振动模态，其轨迹会在直线、椭圆甚至圆形之间相互切换，相应地腿部与平面形成的夹角亦有不同，而且到了一定程度轨迹还会发生顺、逆时针的变化。四条腿的行动组合起来，就会使机器人作出前进、后退、转弯等不同的运动轨迹。
“多振动模态的现象，其实在生活中也很常见。”吴一川解释道，例如两人各自牵住绳子两端轻轻甩动时，绳子可能呈现出一个平滑的弧形，这是最低阶模态。而当甩动速度加快、频率变化，绳子会产生多个波峰波谷，即出现更高阶的振动模态。这种从简单到复杂的振动形态变化，正是多模态的直观体现。
有了实验结果的支撑，团队便开始梳理现象背后的规律，并反推出了计算公式，以更好地操控机器人腿部运动轨迹。
“小强”也有飞天梦
从频率影响运动轨迹的现象发现，到相关理论提出，再到实验验证得出计算公式，团队共花费了两年多的时间。
但这也促使“电子蟑螂”机器人完成了“质的飞跃”。其实在2019年，还在攻读博士的吴一川就研制出了第一代“电子蟑螂”，但当时机器人设计比较简单，只能在平面直线跑动，却无法转弯。而且控制元件没有集成，必须外接电路和电池。
到了2021年，吴一川与师弟梁家铭一起研发的第二代“电子蟑螂”解决了集成和转弯问题，但运动速度较慢，且身上带了三个执行器，控制方式比较复杂。
“现在，它成长到了第三代，行走直线速度可达9.6cm/s，一秒内最快可以转弯280°。”研究团队负责人彭倍教授强调，该“电子蟑螂”区别于其他同类型微型机器人的最大优势，就是仅靠调节单个驱动器的频率，便实现了灵活控制腿部末端运动轨迹的形状、方向与倾斜角度。
对于大型机器人而言，通常会依赖多个驱动器来控制其动作，就好比人类实现复杂的肢体运动，离不开多个关节的协调运作。
但设计制作微型机器人，对重量与尺寸的把控就极为关键。“我们要以更轻的重量，更小的尺寸，更高的集成度来实现复杂的行动控制，因此要尽可能减少驱动器的数量。”彭倍教授表示。
总之，该研究提出的是首个在厘米尺度下实现系统集成、可无线操控并能承受强烈冲击的微型机器人平台。
此外，这只“电子蟑螂”还可同时适应水陆运动的“两栖”机器人。当它处于水中时，四条腿就变成了“船桨”，受水的阻力运动变缓，但基于不同的频率依旧能展开水面可控滑行。
“电子蟑螂”凭借其独特性能，在灾害搜救、管道检测、密闭狭小空间作业等应用场景中展现出广阔的应用潜力。然而，其真正走向实用化，还需攻克若干关键技术难题。
“首要挑战在于解决电池续航，”吴一川指出，“当前搭载的锂电池仅能维持约20分钟的运行时间，这极大地限制了其实际作业能力。”
自然界中，除了爬行，昆虫还具备着跳跃甚至飞行的能力。吴一川期望“电子蟑螂”未来也能集成更多的仿生运动模态，如跳跃或短距飞行，以提升其复杂环境适应性，扩大任务执行的范围。
“电子蟑螂”机器人实物图，大小与一枚硬币相当。受访者供图
电子科技大学昆虫尺度仿生机器人团队。受访者供图
本文链接：http://www.gihot.com/news-8-6312-0.html这只“蟑螂”踩不死 “人工肌肉”助它到处行走
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