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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

  

大数据文摘编辑部出品

提到蟑螂,很多同学都深恶痛绝。

这种身型小巧的虫子不仅跑得快、繁殖能力强,而且超级抗打抗压,在所有的环境下都能顽强地生存下去。

12mm高的蟑螂可以躲进4mm的缝隙

也难怪周星驰在自己的电影里,把蟑螂称为“打不死的小强”。

但想象一下,如果你拥有一支跑的又快、伸缩自如的蟑螂大军,征服宇宙或许都不再是梦想!

近日,清华大学和加州大学伯克利分校的研究人员就研制了一款像极了“小强”的新型软体机器人,不仅运动速度很快,而且真的像一只打不死的小强一样,比我们以前见过的任何机器人都更加“抗造”。

从外形上看,这个机器人就像一张弯曲的纸条。但是它能以每秒20个身长的速度移动。

更值得一提的是,在被一个重近60kg的成年人踩到后,这只机器人依然可以继续运动。

此外,这只机器人还能爬上坡度为15度的陡坡,以及扛着自身重量6倍的花生稳定前进。

这一研究日前也登上了最新的 Science Robotics(科学机器人)杂志。

论文的通讯作者是清华国家智能技术实验室副教授张敏,同时也是清华大学天工智能计算研究中心的成员。团队其他成员来自北京航空航天大学和加州大学伯克利分校,可谓是强强联手、精英荟萃。

附上论文链接:

https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax1594

解剖“小强”,更高的速度和强大的抗压能力

这款“蟑螂“机器人只有3x1.5厘米, 需要用扫描电子显微镜才能看到机器人是什么结构。

在显微镜下,可以看到这款机器人包括一个18微米厚的聚偏氟乙烯层,两个50纳米厚的钯(Pd) / 金(Au)电极(聚偏氟乙烯膜的顶部和底部) ,一个25微米厚的粘合性硅树脂,和一个25微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板。

而这款机器人运动的方式就更加奇特了。利用交流电压(低至8伏,但通常约为60伏)穿过电极时热塑性塑料的伸展和收缩,从而使机器人向后弯曲并且“小步幅”的走动,完整的一个步进周期仅需50毫秒。

机器人的“运行”还有一个短暂的"腾空"阶段。

来自高速摄像机的照片显示机器人的步态(A到D),它收缩并伸展其身体

而在稳定可靠方面,相比蟑螂可以承受900倍于自身体重的负荷而不受伤害,这款软体机器人可以在被一个成年人(59.5公斤)踩上之后,继续工作(只有原来速度的一半) ,这个负载大约是它自身体重的100万倍!

研究人员对这样的表现还不是很满意,于是准备再给“小强”加一条腿。

两条腿的“小强”可以模拟飞驰式的步态,就像猎豹一样可以拱起背部以增加步长和利用储存的弹性能量。

利用了这种更有效的飞驰式步态机制,两足机器人在类似驱动条件下的跑步速度是单足机器人的3倍。根据高速摄像机拍摄的步态,双腿机器人的空中占空比(75%) 比单足机器人(51%)提高了24%,从而提高了运行速度。

与动物类似,质量越大相对速度越慢

无论是对于哺乳动物还是昆虫而言,大家的直观感受都是体重越大,跑的越慢,这里跑的慢是指每秒行进的自身体长数更少,事实也是如此。

图中显示了一些哺乳动物(紫色区域)、节肢动物(粉色区域)相对于体重的运行速度,紫色区域和粉色区域,体重与相对运动速度呈负相关,即相对于哺乳动物和节肢动物,随着体重的增加,相对速度会降低。

而对于软机器人而言(蓝色区域)这种关系似乎正好相反:随着体重的增加,相对速度会逐渐提高,而随着体重的减少,速度会降低,这主要是因为机器人需要一定质量的零部件来支持运动。

而由清华大学和加州大学伯克利分校研制的这款小型软机器人,the scaling law (速度相对于体重的变化定律)则与哺乳动物达到了一致:随着体重的减少,相对速度越大(图中红星所示)。

这主要是因为这款机器人的相对运行速度与共振频率呈正相关,所以在更高的共振频率下运行可获得更高的相对运行速度,所以结构简单,无冗余耗能部件的“小强”,工作效率更高。

尽管一些由磁场、湿度、热源或光源驱动的软机器人可以拥有快速的瞬时速度,但是反应缓慢以及需要外部电源等庞大设备,以及磁场,都限制了它们的速度。

再仔细观察上面的图表,会发现一个很有意思的事情,数字39就在那张图表上(左上角),这是1916年在加利福尼亚州的一块岩石下发现的一种微小的螨虫。螨虫的大小不到1毫米 ,但它可以以每小时0.8公里的速度运行,即每秒322个身体长度,使它成为地球上相对于大小最快的陆地动物(至少两倍)。

想象一下,如果我们人类拥有相同的速度体重比,我们将以每小时超过2,000公里的速度运动,成为新一代的"超人",但这终归只针对昆虫,左上角的几乎所有东西都是昆虫,质量减小运动反而更加有利。

其他小型机器人

最近几年,对于小型机器人的研究越来越多了。

比如,来自UMD的磁力驱动的四足机器人,腿部由外部磁场控制,外部磁场作用于嵌入机器人臀部的微小立方体磁铁。磁场的变化影响着磁铁的变化,使得这款机器人能以高达150赫兹的速度驱动支腿。

通过将同方向的磁铁安装到臀部就可以实现一个步态,只要稍稍改变磁铁方向,即可实现步态的变化。

UMD磁力驱动四足机器人与蚂蚁对比

相关链接:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/four-legged-walking-robot-is-smaller-than-an-ants-face

还有加州大学伯克利分校的X2-VelociRoACH,它仅重54克,但X2-VelociRoACH以每秒4.9米(17.6公里/小时,或11英里/小时)的速度可持续运行,是迄今为止最快的腿式机器人,一眨眼功夫就会看不见踪影。通过将其步幅频率推向极值,研究人员探索并实现了有腿机器人能达到的最大速度。

有腿的动物有两种不同的增速方法:要么增加它们的步幅频率(迈得更快),要么增加它们的步幅(迈得更远)

相关链接:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/icra-2015-x2velociroach-smashes-speed-record-for-tiny-legged-robots

为什么软体机器人备受青睐?

这款“小强”软体机器人构造简单、成本低、灵活自如,还能够利用其独特的设计和构造来移动并与环境交互。同时,因为没有刚性部件的限制,可以承受其他类型机器人无法承受的“摧残”,非常耐用。

这样的软体机器人速度又快,又能载重,稳定性还好,潜在的应用场景也相当广泛。

比如,瑞士的联邦理工学院(EPFL)开发了一种具有敏感抓地力的机器人,它可以灵活地抓起一只鸡蛋,或者拿起一张纸,也可以举起比自身重8倍的重物。这个机器的手指都是由硅胶制成,其中嵌入了两种不同类型的电极 :一种能够弯曲手指以适应物体形状;另一种使手指用电粘附物体,这和气球经过头发摩擦后能黏在墙上的原理相同。

早在2016年,加利福尼亚大学伯克利分校的科学家就曾模仿蟑螂研发过软体机器人Roboroach,它能够压缩自身使身体变得平坦,缩到只有正常高度的四分之一。这种带传感器的扁平机器人尚在研发,有望在倒塌的建筑物瓦砾中进行工作。

相较于笨重的传统机器人,软体机器人在处理精细动作方面大有优势。比如,模仿章鱼触手制成的软体机器人可以用于外科手术。事实上,大多数软体机器人模仿的是无脊椎动物和昆虫,由于有机硅和其他可弯曲材料的进步,这些机器人可以使用、展开、扭曲触手,并且能够从不同角度抓取物品,从而更好地适应环境。

相关报道:

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

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