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作者:LETOU   发布时间:2020-07-11 22:55

  仿生机器人越来越成为机器人领域的一个研究热点了。2013 年,哈佛大学微型机器人实验室研究人员仿照“小强”打造了一款看上去有点瘆人的四足微型机器人 HAMR,其重约 3g、长约 5 厘米,体积与现实生活中的蟑螂相似。

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  近日,在机器人领域顶会 ICRA 2020(IEEE International Conference on Robotics and Automation,国际机器人与自动化会议)上,研究团队介绍了更为迷你的升级版 HAMR-Jr,其重量仅为 HAMR 的十分之一,还没有现实中一只蟑螂的腿高,是当前最小、速度最快的昆虫仿生机器人之一。

  实际上,HAMR 是 Harvard Ambulatory MicroRobot(哈佛移动微型机器人)的缩写,这款机器人灵活、体积小的特点通过其名字便可略知一二。

  在 2013 年推出 HAMR 之后的几年,研究团队曾不断基于 HAMR 尝试技术突破。

  比如,2018 年研究团队设计了会踩电门的“小强” HAMR-E。简单来讲,HAMR 能够自己深入自己体内,检查部件工作是否正常。不过,当时的 HAMR-E 质量、体积与 HAMR 差距不大,有点像是功能优化。

  而 ICRA 2020 上公布的 HAMR-Jr 相比此前的更新,可以说是前所未有。

  根据上面的动图就能发现,HAMR-Jr 依然沿袭了四足设计,在外形上与 HAMR 差距不大。

  不过,HAMR-Jr 最大的变化就在于体积:重 320 毫克,长 2.25 厘米。HAMR-Jr 可谓是小而灵活,能小跑、前屈、跳跃、搬运重物,还能像螃蟹一样横着走。

  HAMR-Jr 独立驱动自由度为 8。另外,通过压电致动器的驱动,HAMR-Jr 可以以每秒 14 个身长(30 厘米)的速度移动,平均步频和最佳共振点为 200 Hz,最高近 300Hz。

  值得一提的是,由于受到运动神经冲动和肌肉纤维激活的生物极限的制约,自然界中昆虫步频最快也无法达到 200Hz。这一点正如论文合著者之一、科罗拉多大学博尔德分校 Kaushik Jayaram 所说:

  HAMR-Jr 的步频可以超过 200 Hz,这在陆地生物系统中是前所未有的,而且这种高步频下的运动动力学研究也是前所未有的。

  另外,HAMR-Jr 还有一项指标值得关注——在有效载荷达到其自身质量(320 毫克,比如电池和一些传感器)的情况下,其性能变化不大。

  通过印刷电路微电子机械系统(PC-MEMS)制造工艺,机器人零部件被蚀刻成 2D 片,再通过灵活的铰链进行连接,形成 3D 结构。通过缩小 2D 蚀刻片、致动器和板载电路,在功能不变的前提下,机器人的体积得以缩小。

  据悉,这一研究得到了 DARPA(美国国防高级研究计划局)的支持,与此同时,另一项仿生微型机器人研究项目更是获得了美国国防部 53.8 万美元的资助。

  实际上,这一项目的合作成员也都实力不凡,可以说是强强联合——NASA 喷气推进实验室、拥有网红机器人的波士顿动力公司、英特尔、加拿大机器人公司 Clearpath Robotics、德国机器人公司 Telerob、位于硅谷的激光雷达公司 Velodyne 和位于洛杉矶的军用级战术 MIMO 无线通信开发商 Silvus Technologies。

  虽然项目还在进行当中,具体成果尚未可知。但在加州州立大学北岭分校的网站上,Nhut Ho 公开了其想法,将仿造昆虫制造机器人:

  我们从蚂蚁和蜜蜂身上得到了启发,它们能自我组织。应对不同任务,它们会采取最佳的解决方案进行团队合作,即使出现了团队成员失败的情况,任务依然可以完成。

  Nhut Ho 还有一个头衔:NASA 旗下的 STEAMH 自主技术研究中心创始主任。STEAMH 一词由科学、技术、创业、艺术、数学和人文学术几个英文单词的首字母组成,这也代表着该研究中心的跨学科研究方向。

  正因如此,这一项目旨在研发的机器人不仅将关注诸如搜索救援、采矿或一些极端环境中的陆地应用,也将用于 NASA 的行星探索。

  要探索火星表面和空洞,一群微型机器人将比大型机器人单枪匹马地完成任务更为有效。

  与此同时,由于项目合作伙伴之一 NASA 喷气推进实验室的一个团队曾在 DARPA“地下挑战赛”中获得过第一名,在自动快速地绘制、导航和搜索地下环境方面有很好的基础,因此这一项目最终设计的机器人也将会在地下场景中有所应用。

  我希望看到像 HAMR-Jr 这样的微型机器人产生积极的社会影响,我设想的途径主要有四个:搜索救援、高价值资产检查、环境监控以及药物方面的辅助。

  由此可见,一方面,研究人员在微型仿生机器人领域不断探索、追求极致;另一方面,机器人的实际应用场景也不断被拓宽。

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LETOU