機(jī)器之心報(bào)道
編輯：陳萍、小舟
小小機(jī)器人能量大爆發(fā)，身體如昆蟲一般大小，卻可以攜帶 22 倍于自身重量的物品，爬行、跳躍都不是問題。
高于自身幾倍的跳臺，機(jī)器人一下子就跳上去了：
更高的高度也是可以的：
負(fù)重物前行：
這款機(jī)器人由來自康奈爾大學(xué)的研究者研發(fā)，該機(jī)器人長 29 毫米，重量僅為 1.6 克，可以垂直跳躍 59 厘米，并且可以攜帶 22 倍（36 克）于自身重量的物品行走。相關(guān)論文《Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots》發(fā)表在 Science 上。
論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067
該研究利用內(nèi)燃機(jī)解決了驅(qū)動(dòng)小型機(jī)器人的問題。他們將甲烷蒸氣和氧氣注入燃燒室，再用微小火花點(diǎn)燃混合物。
不到半毫秒，腔室頂部像活塞一樣向上膨脹，每秒重復(fù)一百次的循環(huán)產(chǎn)生 9.5 牛頓的力。機(jī)器人的每條腿有兩個(gè)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，這樣就得到了一個(gè)異常強(qiáng)大的軟體四足機(jī)器人。
為該機(jī)器人每條腿提供動(dòng)力的是兩個(gè)執(zhí)行器，重量僅為 325 毫克，大約是一美分硬幣大小的四分之一。它們之所以如此小型，部分原因是大多數(shù)相關(guān)部件都在機(jī)外，包括燃料本身、混合和輸送燃料的系統(tǒng)以及火花發(fā)生器的電源。
該研究的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、康奈爾大學(xué)材料工程師 Robert Shepherd 表示：「執(zhí)行器看起來就像一個(gè)鼓，它是一個(gè)空心圓柱體，頂部有彈性硅橡膠。為了驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器足以使機(jī)器人跳躍或爬行，我們將甲烷和氧氣流注入到每只足中，并通過電池產(chǎn)生的電力產(chǎn)生火花。氣體之間發(fā)生反應(yīng)形成水和二氧化碳，以小爆炸的形式釋放能量，導(dǎo)致橡膠層變形，就像活塞一樣。」
Robert Shepherd 還表示：「微小的爆炸發(fā)生得如此之快，以至于沒有火焰來燃燒或損壞橡膠。但它們提供了相當(dāng)大的推進(jìn)力：機(jī)器人可以跳到 56 厘米高，并能承載 22 倍于自身重量的負(fù)載�！�
方法介紹
該昆蟲機(jī)器人最大的特點(diǎn)就是執(zhí)行器需要處理實(shí)際的爆炸。這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，需要確保機(jī)器人在每次爆炸時(shí)不會(huì)自行燃燒。
執(zhí)行器及其組件材料如下圖 (A) 所示，燃燒執(zhí)行循環(huán)如下圖 (B) 所示。該執(zhí)行器非常耐用，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)它可以連續(xù)運(yùn)行超過 750000 個(gè)循環(huán)周期（50Hz 下 8.5 小時(shí)），而不會(huì)出現(xiàn)任何性能下降。
執(zhí)行器的性能主要受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是驅(qū)動(dòng)頻率 f，一個(gè)是燃料 - 氧化劑濃度 φ，φ 可以用如下公式描述：
下圖描述了執(zhí)行器的性能與驅(qū)動(dòng)頻率和燃料 - 氧化劑濃度的關(guān)系：
為了深入研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，該研究構(gòu)建了一個(gè)簡化的系統(tǒng)模型，其中考慮了幾個(gè)關(guān)鍵因素，包括硅橡膠膜（執(zhí)行器膜）的彈性、電池內(nèi)的燃料流動(dòng)、燃料釋放的能量、壓力和溫度。使用這個(gè)模型，研究團(tuán)隊(duì)可以預(yù)測執(zhí)行器膜的位移值、執(zhí)行器的阻擋力（blocked force）、機(jī)器人的跳躍高度，以及作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)的排氣流率（exhaust flow rate）。
為了證明微型執(zhí)行器在驅(qū)動(dòng)昆蟲級裝置方面的有效性，該研究設(shè)計(jì)并制造的由燃燒驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人如圖 3 (A) 所示。每個(gè)燃燒室都是獨(dú)立的，分別用來驅(qū)動(dòng)前腳和后腳（圖 3 (B)）。點(diǎn)火是通過火花來實(shí)現(xiàn)的，并導(dǎo)致腔室兩端的彈性體膜膨脹（圖 3 (C)(D)）。圖 3 (E) 顯示了機(jī)器人的腿和足的理想示意圖，并使用它來建模跳躍動(dòng)力學(xué)。圖 3 (F) 建立了一系列驅(qū)動(dòng)頻率下機(jī)器人跳躍高度的等效比函數(shù)模型。
下面為機(jī)器人多步態(tài)功能的表征圖。機(jī)器人可以通過修改燃料比和火花頻率來切換運(yùn)動(dòng)方式。
參考鏈接：
https://spectrum.ieee.org/explosive-robot-insect
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adk0522
