爆炸驱动的昆虫机器人可携带自重22倍负荷

CAMERON AUBIN

在9月14日发表在《科学》杂志上的一篇名为Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots的论文（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067）中，康奈尔大学的研究人员用一台非常微小、非常柔软的内燃机解决了小规模驱动问题。甲烷蒸汽和氧气被注入一个软燃烧室，在那里一个小小的火花点燃了混合物。在半毫秒内，腔室的顶部像活塞一样向上膨胀，在每秒可以重复100次的循环中产生9.5牛顿的力。把其中两个致动器放在一起（一块驱动两条腿），你就得到了一个非常强大的软四足机器人。

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。但是，即使没有所有这些东西，致动器也有一个束，使其能够在高循环频率下连续运行而不会熔化。

SCIENCE ROBOTICS

这些工程成果中的第一个是一个小型昆虫规模的四足机器人，它利用其中两个软燃烧致动器为每条腿提供动力。这个机器人长29毫米，重1.6克，但它可以直立跳跃59厘米，行走时的重量是它自身重量的22倍。Shepherd说，对于昆虫规模的机器人来说，这是“接近昆虫水平的表现，跳得非常高，速度非常快，负载很大。”

康奈尔大学有机机器人实验室的负责人Robert F.Shepherd说：“有趣的是，这展示了小规模燃烧的威力能有多大。”近十年前，我们（作者，以下简称我）在2014年的IROS（https://spectrum.ieee.org/squishy-pink-robot-makes-explosive-jumps）上报道了Shepherd在燃烧动力机器人方面的一些工作。但Shepherd告诉我们，小型化既有挑战，也有好处。“我们在可燃气体体积的下限下运行。这对科学来说是一个有趣的地方，工程成果也很有用。”

这些工程成果中的第一个是一个小型昆虫规模的四足机器人，它利用其中两个软燃烧致动器为每条腿提供动力。这个机器人长29毫米，重1.6克，但它可以直立跳跃59厘米，行走时的重量是它自身重量的22倍。Shepherd说，对于昆虫规模的机器人来说，这是“接近昆虫水平的表现，跳得非常高，速度非常快，负载很大。”

由于致动器移动得太快，所以很难看到四足动物实际上是如何行走的。每个致动器控制机器人的一侧，一个燃烧室用弹性体膜连接到每个脚部的燃烧室。这种驱动系统的一个优点是，由于动力源是气体压力，你可以在燃烧室本身之外的某个地方实现这种压力。同时启动两个致动器会使机器人向前移动，而启动一侧或另一侧可以旋转机器人，从而提供一些方向控制。

Shepherd告诉我们：“研制出这种可操纵的昆虫级机器人需要大量的精力、迭代和智慧。它必须有腿吗？不，它可能是一只快速的蛞蝓，也可能是一个扑翼的蜜蜂。这个系统可能的振幅和频率允许所有这些可能性。”

让这些致动器稍微减速是研究人员下一步要研究的事情之一。通过用速度换取力量，我们的想法是制造出既能行走又能奔跑和跳跃的机器人。当然，找到一种方法来解开这些系统是自然的下一步。Shepherd告诉我们，他们正在考虑的其他一些事情非常疯狂：“我们未来想探索的一个想法是，在大型机器人中使用这些小型而强大的致动器作为大型、可变的补充肌肉组织。将数千个致动器捆绑在刚性内骨骼上，可以实现灵巧、快速的陆基混合机器人。就我个人而言，我甚至很难想象这样的机器人，但这就是它令人兴奋的地方，对吧？—— 想象一下，一个肌肉发达的大型机器人，由成千上万的微小爆炸提供动力。”

来自康奈尔大学的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）发表在《科学》杂志上。