清華伯克利造出機(jī)械小強(qiáng)：承重200萬倍踩不死，跑得和真蟑螂一樣快
安妮郭一璞 安妮 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
打不死的小強(qiáng)，真的是太討厭了！
既然打不死，那……干脆仿造一個出來，為我所用，豈不是爽歪歪？
還真有人仿造成功了，最新的一期Science Robotics，就發(fā)表了這樣一個打不死、壓不扁的小強(qiáng)機(jī)器人。外媒IEEE Spectrum在報道時，甚至用了“驚人”（surprisingly）一詞。
這個小強(qiáng)機(jī)器人長3厘米，寬1.5厘米，體重0.024克，只有一枚硬幣大小，運行的時候最低只要8V的低電壓。
最大的特點是耐壓，拿100g的砝碼壓住它，拿起來之后毫發(fā)無損，還能繼續(xù)淡定的向前跑。
甚至，體重119斤的成年人踩上去，它也照樣可以往前跑，這個承重大約是小強(qiáng)機(jī)器人自己的248萬倍。
論載重能力，它還能背著自己體重6倍的東西一起走。
跑起來的速度也相當(dāng)快，最快每秒可以跑20倍自己的身長的距離。
不只平地運動，還可以爬7.5度傾斜的坡。
因此，這款體型嬌小而健壯、運動機(jī)能全面的小強(qiáng)機(jī)器人，最適合的應(yīng)用場景怕不是深入狹窄的縫隙，進(jìn)行一線調(diào)查工作？
本文的一作吳一川也這么覺得，他說：“如果發(fā)生了地震，大型機(jī)械、大型犬很難在廢墟下找到生命，因此我們需要一個敏捷而健壯的小型機(jī)器人。”
甚至還有網(wǎng)友覺得，很快這種機(jī)器人就會安裝上間諜軟件，悄悄潛入人們身邊了。
還有人覺得，這種機(jī)械蟑螂可能和真的蟑螂一樣可怕：它們只要找到你家的門在哪兒，人類就完蛋了。
小強(qiáng)的結(jié)構(gòu)
小強(qiáng)機(jī)器人的核心組成是一個略微彎曲的“甲殼”和前面甲殼下的腿。
從顯微鏡圖像來看，甲殼部分有5層，從上到下依次是:
50nm Pd/Au電極
18μm厚的PVDF層
50nm Pd/Au電極
25μm的硅粘合劑
25μm的PET材料
PVDF是一種壓電材料，給它兩端加上電壓后就會收縮或膨脹。因此，當(dāng)給PVDF加上交流電的時候，它就會反復(fù)在彎曲和伸直的狀態(tài)之間變化，這樣甲殼的形狀也就隨之變化，被賦予了彈跳運動能力。
所以，當(dāng)小強(qiáng)機(jī)器人跑起來的時候，它的甲殼是在不斷彎折的，以直-彎-直-彎……這樣循環(huán)變化彈跳運動。
另外的一個核心部分是小強(qiáng)的前腿，它支撐小強(qiáng)身體，彈跳的時候也要靠腿來落地支撐。
在彈跳的過程中，為了保證小強(qiáng)機(jī)器人盡量向前運動，研究者們把前腿稍微往后“掰”了一下，保證前腿和下半身軀干之間的角度小于90°。
拆解“小強(qiáng)”運動過程
這樣一片身材小小、體態(tài)薄薄的機(jī)器人，是如何完成跑步、爬坡和負(fù)重任務(wù)的？
在論文Insect-scale fast moving and ultrarobust soft robot中，研究人員解釋了小強(qiáng)機(jī)器人的運動原理。
具體的運動狀態(tài)，研究者們用60V、200Hz的正弦交流電做了演示。
這張圖是小強(qiáng)機(jī)器人經(jīng)過了20個周期的運動后平均出來的幾個核心的數(shù)據(jù)。
黑色的是驅(qū)動信號，也就是正弦交流電的波形圖，因為用的是200Hz的交流電，一個周期也就是5ms；
紅色是一個周期內(nèi)小強(qiáng)機(jī)器人前進(jìn)的距離，大約不到0.4毫米。注意，因為這里的電壓最高只有60V，所以達(dá)不到每秒20倍體長的最高運動速度。
藍(lán)色則是小強(qiáng)機(jī)器人脊背的高度變化，隨著電壓波動，在電壓為-60V、0V、60V、0V這四個時間點上（也就是圖上的I、II、III、IV），小強(qiáng)一直在變化自己的身姿，脊背的高度也在隨著波形變化；而當(dāng)一個周期結(jié)束，電壓回到-60V的時候（也就是圖上的V），小強(qiáng)的姿勢也回到了最初狀態(tài)。
如果將小強(qiáng)機(jī)器人運動中的脊背高度變化拉長，拉到和生物界中真的小強(qiáng)一樣的運動周期50毫秒，會發(fā)現(xiàn)兩者的脊背高度波動幾乎是重合的。
受到電壓影響，小強(qiáng)機(jī)器人共有四種姿態(tài)，分別為騰空態(tài)（aerial），II前觸態(tài)（front-touching），后觸態(tài)（back-touching）和III雙觸態(tài)（both-touching）。
這四個狀態(tài)連在一起，構(gòu)成機(jī)器人一個步態(tài)周期，從肉眼上看，就是機(jī)器人向前跑了一步。
來看高速攝像機(jī)下的小強(qiáng)機(jī)器人，從A到D分別為上述四種姿態(tài)，以及其身體受力分析：
其中，灰色虛線表示此前的形狀，紅色表示的時當(dāng)前的形狀，G代表重力，F(xiàn)f代表前腿的地面反作用力，F(xiàn)a表示腹部末端的地面反作用力。
完成一次跑步動作的周期是5毫秒，頻率為200Hz。跑步的過程還有一個騰空的階段。
那么，小強(qiáng)機(jī)器人如何完成每秒前進(jìn)相當(dāng)于20個自身長度的距離？
研究人員先繪制了不同動物體重（橫軸）運動速度（縱軸）的分布圖，來看一下：
其中紫色區(qū)域代表哺乳動物，橙色區(qū)域代表節(jié)肢動物，藍(lán)色區(qū)域代表不同軟體機(jī)器人的與體重的相對運行速度。
從這個大趨勢中可以看出，對于哺乳動物來說，體重越小速度大多數(shù)就越快，但對于軟體機(jī)器人來說這個規(guī)律恰好相反，體重減小、但速度也隨之變慢。
知道了大規(guī)律之后，研究人員開始對小強(qiáng)機(jī)器人進(jìn)行一系列的優(yōu)化，圖中紅色五角星就為預(yù)設(shè)的優(yōu)化策略。
因為機(jī)器人的運行速度與諧振頻率正相關(guān)，因此這個小型機(jī)器人可在較高的諧振頻率下運行獲得更快的相對速度。
研究人員表示，雖然一些由磁場、濕度、熱源或光源驅(qū)動的軟體機(jī)器人的瞬時運行速度可以很快，但其響應(yīng)速度較慢，其動力裝置也比較笨重，因此放棄了這些探索。
最后，看一下小強(qiáng)機(jī)器人在爬坡和負(fù)重環(huán)境下的表現(xiàn)。
論文顯示，它可以承受自身體重100萬倍的重量，約60公斤，并且還能以正常速度的一半繼續(xù)向前爬行。
即使攀爬15度的斜坡，仍范能以每秒一個體長的速度前進(jìn)。
甚至，還能當(dāng)小小搬運工，比如攜帶一顆是自身重量6倍的花生：
達(dá)不到完美
不過，這個小強(qiáng)機(jī)器人還有很多可優(yōu)化的空間。
一是目前還不太自由，小強(qiáng)機(jī)器人需要被拴在一根細(xì)電線上。研究小組正在嘗試為機(jī)器人添加一塊電池，這樣不需電線就可以直接行走了。
二是小強(qiáng)機(jī)器人目前還無法自主避障，研究人員表示，正在嘗試增加氣體傳感器，也在改進(jìn)小強(qiáng)機(jī)器人的設(shè)計，使其最終能夠跨越障礙物。
不過，無論是增加電池還是增加氣體傳感器，對于一般體型的機(jī)器人來說可能不是件難事，但若要將這兩種裝置安裝在一塊如此輕薄、耐踩的機(jī)器人身上，還是一項巨大的挑戰(zhàn)。
清華+伯克利出品
這篇論文來自清華大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校，作者共有13人。
一作Yichuan Wu，本名吳一川，是一位中國人，目前是清華-伯克利深圳學(xué)院（TBSI）的在讀博士生。
吳一川本科畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工業(yè)專業(yè)，主要研究領(lǐng)域為計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。
△ Yichuan Wu，來自Google Scholar
讀博期間，吳同學(xué)的研究方向為柔性傳感器和制動器，師從UC伯克利機(jī)械工程系教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心主任林立偉教授，林立偉也是本文的通訊作者。
△ 圖來自百度百科
此外，作者團(tuán)隊中還包括UC伯克利電子工程與計算機(jī)科學(xué)系的Justin K. Yim, 清華-伯克利深圳學(xué)院的Jiaming Liang、Xiaohao Wang，UC伯克利傳感器和制動器中心的Zhichun Shao， Mingjing Qi， Junwen Zhong， Zihao Luo等。
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論文地址：
https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/32/eaax1594.full.pdf
