人造肌肉驅動每秒四百五十次“抖腿”

張靜

拍不死的機器人小強

打不死的小強，生存能力太強！

如果微型機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。而這樣的一群機器小強，能干什么事情就值得想象了。

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

該團隊把該軟件機器人稱為DEAnsect，它有兩個版本，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。該機器人可以自動遵循“8”字形路徑移動。

無線版裝備了板載微控制器和兩個光電二極管，用來控制“大腦和眼睛”，使“小強”能辨識黑白圖案，從而能根據(jù)地面上繪制的線條移動。如上圖所示，“小強”可以自動遵循“8”字形路徑移動，到達“8”字末端時，也就是當兩個光電二極管都在白色表面時，機器人停止運行。

冀曉斌表示，之后將做一個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，比如災難救援，還有與自然界昆蟲聚居來研究它們。

低電壓驅動“人造肌肉”

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

創(chuàng)造人造肌肉一直是科學和工程學的重大挑戰(zhàn)，在材料方面，形狀記憶金屬（SMA）、氣動制動器和電活性聚合物（EAP）都是不錯的選擇。在EAP領域，最主要的研究方向就是介電彈性體（DEs），該材料應變大、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器人的最優(yōu)選擇。

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

機器人利用獨立的腿部驅動力進行自動轉向。當三條腿都在活動狀態(tài)時，機器人向前移動，當前腿和左腿處于活動狀態(tài)時，右腿作為軸點，機器人向右轉。同理可以向左轉和向后轉。

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

EPFL軟換能器實驗室主任赫伯特·謝拉評價說：“DEA通常在幾千伏的電壓下工作，這需要一個大型的電源裝置?！薄拔覀兊脑O計使僅重0.2克的機器人就可以背負一切所需的東西。”

赫伯特·謝拉補充道：“這項技術為DEA在機器人技術中的廣泛應用、智能機器人昆蟲群巡檢、遠程維修提供了新的可能性，甚至可以通過派遣機器人到昆蟲群落中生活來加深對昆蟲群落的了解?！?p>

A 為裸重機器人圖;B 為該機器人可以自動導航“8”字路徑并在末端停止;C 為組裝之后的DEAnsect 頂視圖;D 為DEAnsect 側視圖;E 為變形的DEAnsect 側視圖，膠帶將機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

專訪冀曉斌

問：你是如何想到要做這個機器人的？靈感來源是什么？是蟑螂嗎？

冀曉斌：我做這個機器人的靈感是爬行類昆蟲。當然蟑螂也是啟發(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動，并且可以自主導航，這是如何實現(xiàn)的，難點是什么？

冀曉斌：DEAnsect之所以能夠幸免于拍打而繼續(xù)運轉，是因為它是軟體人造肌肉驅動的。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，柔軟的本質使得這類驅動器可以在被扭曲、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，驅動系統(tǒng)依然可以工作，這是為什么它能繼續(xù)行進的原因。

關于自主巡航，我們在軟體機器昆蟲上集成了整個機器人系統(tǒng)，包括微控制器當做大腦進行邏輯決斷，光二極管當做雙眼來識別路線，還有電池來供能。難點在于，昆蟲大小的自主軟體機器人從來沒有發(fā)表過。因為軟體驅動器的功率一般很低，尤其是在昆蟲級別，讓軟體昆蟲機器人負載整個機器人系統(tǒng)，包括傳感器、控制器、驅動器、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動。幾千伏電壓的電子配件的大小和重量，限制了DEA機器人的小型化與整體性能。我們的工作降低了DEA驅動電壓的一個數(shù)量級，從而使我們可以使用超輕質量（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突破，這個機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被設計的工作電壓是450伏特。我們可以用相同的納米制造工藝制造更低電壓運轉的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說這項技術為智能機器人昆蟲群巡檢提供了可能性，但是機器人不會飛的話是不是會影響性能和應用場景？相比于哈佛大學RoboBee的RoboFly，DEAnsect有哪些優(yōu)劣勢？

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

我很喜歡哈佛大學的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，但是整個飛行時間只有幾秒，而且需要強光光源為集成的太陽能電池供電才能實現(xiàn)無線飛行。供能設備的集成一直是小型輕量化機器人的瓶頸。

DEAnsect的最大優(yōu)勢是完全獨立自主，不需要外部供能設備，因為可充電鋰電池已經(jīng)集成在機器人上。其次的優(yōu)勢是DEAnsect 是由軟體人造肌肉驅動，賦予它頑強的生命力。

劣勢是DEAnsect目前為手工組裝，所以制造一個族群需要耗費大量精力，而且手工組裝精度也受限制。所以DEAnsect的自動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是做一個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，比如災難救援，還有與自然界昆蟲聚居來研究它們。