張靜

拍不死的機(jī)器人小強(qiáng)

打不死的小強(qiáng)，生存能力太強(qiáng)！

如果微型機(jī)器人能獲得蟑螂的生存能力，哪怕是一部分，就可能在一些苛刻的環(huán)境下，執(zhí)行特定任務(wù)。而這樣的一群機(jī)器小強(qiáng)，能干什么事情就值得想象了。

華人科學(xué)家冀曉斌、劉昕暢，以及來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的軟傳感器實(shí)驗(yàn)室（LMTS）和綜合執(zhí)行器實(shí)驗(yàn)室（LAI）、法國塞爾吉- 蓬圖瓦茲大學(xué)的聚合物和界面物理嵌合實(shí)驗(yàn)室（LPPI）的幾位科學(xué)家，共同設(shè)計(jì)出這樣一款柔軟的昆蟲機(jī)器人，該機(jī)器人被蒼蠅拍或者鞋子拍打之后，依然可以繼續(xù)移動(dòng)。

該團(tuán)隊(duì)把該軟件機(jī)器人稱為DEAnsect，它有兩個(gè)版本，一版需要通過電線連接電源，速度每秒30毫米。另一版是無線連接、可以根據(jù)環(huán)境自主導(dǎo)航的，速度為每秒12毫米

DEAnsect 長40毫米，裸重為0.97克，而一枚一角硬幣的重量為1.15克。無線版可以攜帶0.78克的靈活電子組件，比如傳感器、控制器和電池等。該機(jī)器人可以自動(dòng)遵循“8”字形路徑移動(dòng)。

無線版裝備了板載微控制器和兩個(gè)光電二極管，用來控制“大腦和眼睛”，使“小強(qiáng)”能辨識(shí)黑白圖案，從而能根據(jù)地面上繪制的線條移動(dòng)。如上圖所示，“小強(qiáng)”可以自動(dòng)遵循“8”字形路徑移動(dòng)，到達(dá)“8”字末端時(shí)，也就是當(dāng)兩個(gè)光電二極管都在白色表面時(shí)，機(jī)器人停止運(yùn)行。

冀曉斌表示，之后將做一個(gè)DEAnsect族群來模擬昆蟲族群的集體智能表現(xiàn)，從而執(zhí)行多功能化的任務(wù)，比如災(zāi)難救援，還有與自然界昆蟲聚居來研究它們。

低電壓驅(qū)動(dòng)“人造肌肉”

DEAnsect配備了介電彈性體致動(dòng)器（DEAs），是一種細(xì)如毛發(fā)的人造肌肉，可以通過振動(dòng)使其前行。DEAs就是昆蟲機(jī)器人能夠輕便快速移動(dòng)的主要原因，當(dāng)然，它也允許機(jī)器人在各種路面和地形上移動(dòng)。

創(chuàng)造人造肌肉一直是科學(xué)和工程學(xué)的重大挑戰(zhàn)，在材料方面，形狀記憶金屬（SMA）、氣動(dòng)制動(dòng)器和電活性聚合物（EAP）都是不錯(cuò)的選擇。在EAP領(lǐng)域，最主要的研究方向就是介電彈性體（DEs），該材料應(yīng)變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近，所以靈活、通用且高效的DEAs就成了制作新一代機(jī)器人的最優(yōu)選擇。

DEAnsect由3個(gè)LVSDEA （低壓堆疊式DEA）驅(qū)動(dòng)，每個(gè)LVSDEA都連接一條腿，這些裝有人造肌肉的“昆蟲腿”通過快速打開和關(guān)閉電壓來運(yùn)動(dòng)，每秒開關(guān)電壓達(dá)到450次。腿與地面大概呈45度，利用方向摩擦力向前移動(dòng)。

機(jī)器人利用獨(dú)立的腿部驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向。當(dāng)三條腿都在活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人向前移動(dòng)，當(dāng)前腿和左腿處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，右腿作為軸點(diǎn)，機(jī)器人向右轉(zhuǎn)。同理可以向左轉(zhuǎn)和向后轉(zhuǎn)。

該團(tuán)隊(duì)使用納米制造技術(shù)，通過降低彈性體膜的厚度，開發(fā)出只有幾個(gè)分子厚的柔軟、高導(dǎo)電性的電極，使人造肌肉能夠在相對(duì)較低的電壓下工作。這種巧妙的設(shè)計(jì)使研究人員可以大大減小電源的尺寸。

EPFL軟換能器實(shí)驗(yàn)室主任赫伯特·謝拉評(píng)價(jià)說：“DEA通常在幾千伏的電壓下工作，這需要一個(gè)大型的電源裝置?！薄拔覀兊脑O(shè)計(jì)使僅重0.2克的機(jī)器人就可以背負(fù)一切所需的東西?！?/p>

赫伯特·謝拉補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)為DEA在機(jī)器人技術(shù)中的廣泛應(yīng)用、智能機(jī)器人昆蟲群巡檢、遠(yuǎn)程維修提供了新的可能性，甚至可以通過派遣機(jī)器人到昆蟲群落中生活來加深對(duì)昆蟲群落的了解?！?p>

A 為裸重機(jī)器人圖;B 為該機(jī)器人可以自動(dòng)導(dǎo)航“8”字路徑并在末端停止;C 為組裝之后的DEAnsect 頂視圖;D 為DEAnsect 側(cè)視圖;E 為變形的DEAnsect 側(cè)視圖，膠帶將機(jī)器人的身體固定在彎曲的狀態(tài)下。DEAnsect 在正常和變形的狀態(tài)下均可移動(dòng)

專訪冀曉斌

問：你是如何想到要做這個(gè)機(jī)器人的？靈感來源是什么？是蟑螂嗎？

冀曉斌：我做這個(gè)機(jī)器人的靈感是爬行類昆蟲。當(dāng)然蟑螂也是啟發(fā)源泉之一。昆蟲體重很輕，但是卻可以非常靈敏，而且柔性的身體可以賦予他們頑強(qiáng)的生命力。尤其是昆蟲族群體現(xiàn)的集體智能賦予它們更強(qiáng)的集體生存能力。

問：DEAnsect的突出特征是被蒼蠅拍拍打之后依然可以運(yùn)動(dòng)，并且可以自主導(dǎo)航，這是如何實(shí)現(xiàn)的，難點(diǎn)是什么？

冀曉斌：DEAnsect之所以能夠幸免于拍打而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，是因?yàn)樗擒涹w人造肌肉驅(qū)動(dòng)的。我們使用的人造肌肉是一層只有20微米厚的彈性體硅膠薄膜，柔軟的本質(zhì)使得這類驅(qū)動(dòng)器可以在被扭曲、擠壓等發(fā)生變形的條件下繼續(xù)工作。所以，DEAnsect即使被拍打，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依然可以工作，這是為什么它能繼續(xù)行進(jìn)的原因。

關(guān)于自主巡航，我們?cè)谲涹w機(jī)器昆蟲上集成了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括微控制器當(dāng)做大腦進(jìn)行邏輯決斷，光二極管當(dāng)做雙眼來識(shí)別路線，還有電池來供能。難點(diǎn)在于，昆蟲大小的自主軟體機(jī)器人從來沒有發(fā)表過。因?yàn)檐涹w驅(qū)動(dòng)器的功率一般很低，尤其是在昆蟲級(jí)別，讓軟體昆蟲機(jī)器人負(fù)載整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、供能系統(tǒng)等等，是非常具有挑戰(zhàn)性的。

介電型彈性體致動(dòng)器（DEA）是一類人造肌肉，具有高輸出功率，但是一般需要幾千伏來驅(qū)動(dòng)。幾千伏電壓的電子配件的大小和重量，限制了DEA機(jī)器人的小型化與整體性能。我們的工作降低了DEA驅(qū)動(dòng)電壓的一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使我們可以使用超輕質(zhì)量（小于一克）的控制與供能系統(tǒng)。

問：DEAs能在低電壓下工作是一個(gè)突破，這個(gè)機(jī)器人需要的電壓是多少，目前的續(xù)航能力如何？

冀曉斌：自主DEAnsect被設(shè)計(jì)的工作電壓是450伏特。我們可以用相同的納米制造工藝制造更低電壓運(yùn)轉(zhuǎn)的DEAs（100V）。目前，在電池充滿一次電的情況下，可以連續(xù)工作大約14分鐘，沒電以后可以再次充電，然后繼續(xù)工作。

問：Herbert Shea說這項(xiàng)技術(shù)為智能機(jī)器人昆蟲群巡檢提供了可能性，但是機(jī)器人不會(huì)飛的話是不是會(huì)影響性能和應(yīng)用場(chǎng)景？相比于哈佛大學(xué)RoboBee的RoboFly，DEAnsect有哪些優(yōu)劣勢(shì)？

冀曉斌：根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，巡檢機(jī)器人可以被設(shè)計(jì)為在空中飛行，陸地爬行，還有水下游泳。陸地上的巡檢不一定非要飛行機(jī)器人，比如之前波士頓動(dòng)力的Spot mini，就是四足陸地機(jī)器人，用于建筑工地的巡檢任務(wù)。

我很喜歡哈佛大學(xué)的Robobee還有Robofly，可是他們大多數(shù)都是有線連接的，無線版本的Robobee也被發(fā)表，但是整個(gè)飛行時(shí)間只有幾秒，而且需要強(qiáng)光光源為集成的太陽能電池供電才能實(shí)現(xiàn)無線飛行。供能設(shè)備的集成一直是小型輕量化機(jī)器人的瓶頸。

DEAnsect的最大優(yōu)勢(shì)是完全獨(dú)立自主，不需要外部供能設(shè)備，因?yàn)榭沙潆婁囯姵匾呀?jīng)集成在機(jī)器人上。其次的優(yōu)勢(shì)是DEAnsect 是由軟體人造肌肉驅(qū)動(dòng)，賦予它頑強(qiáng)的生命力。

劣勢(shì)是DEAnsect目前為手工組裝，所以制造一個(gè)族群需要耗費(fèi)大量精力，而且手工組裝精度也受限制。所以DEAnsect的自動(dòng)化制造過程需要被研發(fā)。

問：您和同事之后的研究方向是什么？

冀曉斌：我們將來的長期目標(biāo)是做一個(gè)DEAnsect族群來模擬昆蟲族群的集體智能表現(xiàn)。從而執(zhí)行多功能化的任務(wù)，比如災(zāi)難救援，還有與自然界昆蟲聚居來研究它們。