華科校友88毫克機器人登上Science子刊封面

機器之心報道|編輯:杜偉、小舟、蛋醬

僅靠甲醇續命,卻能拖運自身重量 2.6 倍的物體,南加州大學研究員、華科校友楊秀峰以一作身份發表的這篇研究,剛剛登上了 Science 機器人子刊封面。

機器人通常使用電池或插座供電,但一款名為「RoBeetle」的機器人卻有點不同。這種和昆蟲一般大小的微型機器人,重量不足 1 克,卻能拖運自身重量 2.6 倍的物體。最特別的是,它是依靠甲醇來供能的。

甲醇是一種常見於溶劑和防凍劑中的有機化合物(假酒傷人的成分之一)。像甲醇這樣的液體燃料,每單位體積所提供的能量會比電池更多,這就意味著甲醇驅動的微型機器人不再需要附加外部電源,比如電線、電磁場。從理論上講,這種機器人比電力驅動的同類擁有更多的自主權,同時又能保持很小的尺寸。

在最新一期的《Science》機器人子刊中,來自南加州大學的研究者向公眾介紹了這款名為「RoBeetle」的機器人。他們設計了可以像真實物體一般收縮和放鬆的微型人造肌肉,並且使用覆蓋有鉑粉的鎳鈦合金線加快甲醇蒸汽的燃燒。這一過程產生的熱量會導致機器人腿部的電線縮短,待冷卻後重新伸展,以此驅動 RoBeetle 的運動。

RoBeetle 重量僅有 88 毫克,能夠拖運自身重量 2.6 倍的物體。它可以額外攜帶 95 毫克的燃料,續航時間長達 2 個小時。RoBeetle 擁有爬坡技能,並且可以在不同紋理的表面行進,包括玻璃、泡沫睡墊、混凝土人行道。

在未來的研究中,研究者需要進一步探索如何實現機器人的燃料添加功能,從而在更長的時間內持續供能。此外,如果能夠對 RoBeetle 進行程式設計並實現與操作者通訊,那麼這款機器人還能用於人工授粉或協助手術等更多場景。

論文連結:https://robotics.sciencemag.org/content/5/45/eaba0015

RoBeetle 技術詳解

用於微型機器人驅動的催化人造肌肉

為了創建能夠驅動昆蟲大小爬蟲機器人的 2H 微致動器,研究者將燃料的 HEDs(下圖 1A)和 SMAs 的 HWDs(下圖 1B)結合起來。

圖 1:實現微致動的能量源和致動方法。

致動機制的核心元件是下圖 2A 中的人造肌肉,它包含一個鎳鈦合金核(NiTi core)和一個凝集鉑(Pt)粉的外催化層。在操作過程中,複合線材(composite wire)的 SMA 核心被催化表面上燃料的可控催化燃燒所產生的熱量激活。

下圖 2C 至 2E 為 NiTi-Pt 複合線材表面的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)圖像,它們是透過在《Materials and Methods》以及下圖 S1 中描述的方法生成的。

下圖 2F 展示了確定的主迴路和兩個副迴路,其中應力為 164MPa,並與驅動 RoBeetle 原型的 9.8mm 長 NiTi-Pt 線連接。主迴路指的是加熱冷卻迴路,在這個過程中,SMA 材料完成了從馬氏體狀態(martensitic state)到奧氏體狀態(austenitic state)的完全相變,然後又完全地迴歸馬氏體狀態。

圖 2:催化人造肌肉。

圖 2:催化人造肌肉

圖 S1:NiTi-Pt 複合線材的製作過程。

設計原理 Design of RoBeetle

為了驗證 2H NiTi-Pt 致動器的性能,研究者創建了自動 RoBeetle 的原型,具體如下圖 3A 所示。RoBeetle 透過基於可變摩擦的運動方式來實現爬行。但是,本研究提出的致動方法可以賦能一系列微型機器人平臺,進而實現機器人的行走、跳躍、游泳和飛翔動作。

下圖 3B 展示了致動、感知和反饋控制的聯合機制;圖 3C 至 3H 展示了實現自主操作所需的所有元件,包括 NiTi-Pt 複合線材、MCM 以及燃料箱和其他結構構件。

圖 3:RoBeetle 的設計原理

圖 3:RoBeetle 的設計原理。

就功能而言,這些元件分為以下四類:

  1. 第一類包含構成 RoBeetle 軀幹的元件,即儲存甲醇的燃料箱(圖 3C 和 3D);

  2. 第二類由 MCM 元件組成,即燃料艙蓋和滑動閘板(圖 3E);

  3. 第三類由構成致動機制的元件組成,包括 NiTi-Pt 線和傳動裝置(圖 3E)、葉片彈簧(圖 3C 和 3G)、以及用於安裝葉片彈簧的兩個喇叭狀靜態臂和支撐複合線的後錨塊夾具(圖 3C);

  4. 第四類由帶爪的仿生微型機械腿組成,它們能夠誘發各向異性摩擦,進而模擬亞種群甲蟲 Pachnoda marginata peregrina 的摩擦機制。

實驗

繫留固定實驗

為了獲取適合 MCM 設計的參數,該研究使用了多個 RoBeetle 原型來進行一系列繫留實驗。

具體來說,研究者測量了與微型機器人操作相關的最相關變數,包括 NiTi-Pt 線的表面溫度和產生的自振盪致動應變,如下圖 4 所示。

圖 4:用於測試 RoBeetle 原型特性的繫留固定實驗。

自主運動

為了驗證提出的致動方法並探究 RoBeetle 原型的運動性能,研究者進行了兩種類型的實驗:靜止(stationary)條件和平緩移動條件下的自主爬行。這兩個實驗旨在根據平均爬行速度來突出最壞和最佳情況下的操作條件。

下圖 5A 中展示了第一類運動測試的實例,圖 5B 展示了第二類運動測試的實例。與這兩個測試相對應,機器人位置隨時間變化的情況如圖 5C 所示。

操作過程中,機器人後腿爪部到前腿爪部的距離隨著人造肌肉的收縮呈現週期性增加,同時隨著人造肌肉的延伸而距離縮小。

圖 5:該機器人在兩種環境條件下的自主運動。

功能和運動性能

從最基本的導航角度來看,自主地面機器人必須能夠爬坡、運載有效載荷並在各種不同的表面上運動。因此,為了評估 RoBeetle 的功能,研究者進行了進一步的實驗。

首先是坡道攀爬,下圖 6A 至 6C 展示了 RoBeetle 分別在傾斜度為 5°、10° 和 15° 的斜坡上爬行的樣子。RoBeetle 原型可以輕鬆地在 5° 和 10° 的坡度上攀爬,但在 15° 傾斜度上攀爬的時候出現了下滑。與在水平面上相比,測得的相應速度如下圖 6D 所示。

圖 6:在不同的實驗設置下的運動及其達到的速度。

有效載荷行進演示

研究者演示了 RoBeetle 攜帶有效載荷的能力,並展示了機器人執行簡單自動化任務時與環境的互動,具體如下圖 7 所示:

圖 7:機載射頻識別晶片實現了機器人與環境的互動。

一作為華科校友

本篇論文的一作是來自南加州大學的研究員楊秀峰,本科和碩士均就讀於華中科技大學。2015 年開始,楊秀峰在南加州大學擔任研究助理,並於今年 5 月獲得機械工程博士學位。

楊秀峰研究員是一位在機械工程領域富有遠見的研究人員。他在機電設計和控制方面擁有深厚的研究背景,推動了尖端移動機器人領域的發展。同時,楊秀峰也是跨學科機器人領域有力的貢獻者和組織者。

此外,楊秀峰也曾發表過多項微型機器人相關研究。2019 年 10 月,微型昆蟲飛行機器人「Bee+」曾刊登在《IEEE 機器人與自動化快報》,併入圍 IROS 2019 最佳論文獎提名。這款機器人擁有四枚 33 毫米長的翅膀,重量僅為 95 毫克,能夠實現在飛行中避障,相比於同類機器人也具備更高的耐用性。

研究介紹:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8772143/

2019 年 12 月,楊秀峰和其他研究者合著的論文《Control of Flying Robotic Insects: A Perspective and Unifying Approach》發表在機器人國際頂會 ICAR 2019。

參考連結:

https://www.sciencemag.org/news/2020/08/watch-tiny-robot-powered-alcohol#

https://www.linkedin.com/in/xiufeng-yang

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