微型機(jī)器人可以在極為狹小的空間里運(yùn)動(dòng)，這是人類和傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法做到的。但由于其體型過(guò)小，功率、控制力受限，目前的技術(shù)仍無(wú)法使其有效解決社會(huì)問(wèn)題。

近日，來(lái)自南加州大學(xué)的研究人員發(fā)明了一款酒精驅(qū)動(dòng)的微型昆蟲機(jī)器人，在解決微型機(jī)器人能量來(lái)源問(wèn)題上提供了全新思路，朝著研發(fā)完全自主微型機(jī)器人的目標(biāo)邁進(jìn)了重要的一步。

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該微型機(jī)器人的名稱為RoBeetle，不同于其他依靠電池或外接電線驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，它的能量來(lái)源是甲醇。它長(zhǎng)15毫米，質(zhì)量只有88毫克（大約相當(dāng)于三粒大米），卻可以拖運(yùn)其自身重量2.6倍的物體。它能夠攜帶95毫克的燃料，燃料最多可以為其供電2個(gè)小時(shí)。

相關(guān)研究《An 88-milligram insect-scale autonomous crawling robot driven by a catalytic artificial muscle》8月19日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》上，主要作者為南加州大學(xué)航空航天與機(jī)械工程系助理教授Néstor O. Pérez-Arancibia和博士生Xiufeng Yang、Longlong Chang。

“電池的能量密度非常低，因此我們需要新的能量來(lái)源。我們制作的機(jī)器人又輕又小是因?yàn)樗灰揽侩姵毓┠堋?rdquo;Néstor O. Pérez-Arancibia在接受New Scientist網(wǎng)站采訪時(shí)表示。

研究人員在論文中稱，大多數(shù)昆蟲的肌肉發(fā)達(dá)，這有利于它們進(jìn)行激烈的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，它們粗壯的身體有助于以脂肪和糖原的形式儲(chǔ)存能量。受此啟發(fā)，研究人員開發(fā)了可靠堅(jiān)固的微型人工肌肉，可以像真實(shí)肌肉一樣收縮和放松。

覆蓋有鉑（Pt）粉的鎳鈦合金線的電子顯微鏡圖像

最值得關(guān)注的是，人工肌肉的能量來(lái)源是甲醇。以往微型機(jī)器人通常依靠電池或外接電線驅(qū)動(dòng)，前者因?yàn)轶w積限制，其比能量往往很低（低于1.8MJ/kg），而后者則制約機(jī)器人的獨(dú)立性。甲醇在正常大氣壓下以液體形式儲(chǔ)存，能量是小型電池的10倍以上。這意味著利用甲醇驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人自主性更強(qiáng)，同時(shí)可以保持較小的體積。

該動(dòng)力系統(tǒng)中的鎳鈦合金線表面覆蓋有鉑（Pt）粉，可以催化甲醇燃燒。燃燒產(chǎn)生熱量，使位于機(jī)器人腿部的電線縮短。化學(xué)反應(yīng)停止后，電線冷卻，重新延伸，由此驅(qū)動(dòng)RoBeetle運(yùn)動(dòng)。

為了驗(yàn)證在甲醇驅(qū)動(dòng)下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，研究人員進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)。

該機(jī)器人能輕松爬上傾斜角為5°和10°的斜坡，但在傾斜角度升至15°時(shí)失敗了

在爬坡實(shí)驗(yàn)中，研究人員在傾斜的載玻片上放上了一張表面光滑的紙巾，然后調(diào)整斜面傾斜角度測(cè)試RoBeetle的爬坡能力。該機(jī)器人能輕松爬上傾斜角為5°和10°的斜坡，但在傾斜角度升至15°時(shí)失敗了。此外，因?yàn)橐簯B(tài)甲醇具有粘性，傾斜角度對(duì)其在儲(chǔ)存箱里的分布可以忽略不計(jì)。

RoBeetle在粗糙程度不同表面上的爬行能力

在第二組實(shí)驗(yàn)中，研究人員測(cè)試了RoBeetle在粗糙程度不同表面上的爬行能力。結(jié)果顯示，機(jī)器人可以在紙巾、泡沫表面爬行，但無(wú)法在光滑的玻璃表面爬行。同時(shí)，研究人員進(jìn)一步探究了RoBeetle的載物運(yùn)輸能力，發(fā)現(xiàn)它可以拖運(yùn)其自身重量2.6倍的物體。

研究人員在論文中表示，RoBeetle的動(dòng)力設(shè)計(jì)可作為范例，用于研發(fā)能夠在水陸空運(yùn)動(dòng)的自主微型機(jī)器人。

Pérez-Arancibia表示，他們研制出的甲醇驅(qū)動(dòng)人工肌肉作為該領(lǐng)域的重大突破，將使他們研發(fā)出第一個(gè)完全自動(dòng)的微型飛行機(jī)器人。他們的下一步計(jì)劃是研究在RoBeetle工作時(shí)如何為其添加燃料，從而使機(jī)器人可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。

此外，研究人員計(jì)劃對(duì)RoBeetle進(jìn)行編程，使操作者能與它進(jìn)行交互。如果成功了，RoBeetle將可以充當(dāng)人工授粉器，或者協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)。

不過(guò)，在同期的評(píng)論文章中，美國(guó)麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Ryan L. Truby和哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后研究員李曙光認(rèn)為：“雖然RoBeetle是一個(gè)令人興奮的微機(jī)器人里程碑，但仍有改進(jìn)空間。”

評(píng)論指出，RoBeetle 的運(yùn)動(dòng)速度只有0.76 mm/s，比其它微機(jī)器人小得多。同時(shí)，該機(jī)器人只能向前運(yùn)動(dòng)，人們無(wú)法控制其轉(zhuǎn)向和速度。此外，研究人員放棄了傳統(tǒng)的電子控制器，這使機(jī)器人的功能升級(jí)更為困難，并且限制了外部控制與交互。