這個(gè)“橫著走”的微型機(jī)器人，簡直萌翻了!

5月份的Science Robotics刊登了西北大學(xué)的一項(xiàng)研究，這項(xiàng)研究介紹了一款亞毫米級(jí)別的多材料陸地機(jī)器人。

據(jù)介紹，這款機(jī)器人的靈感來自于一種螃蟹，微縮的尺寸和靈活的步伐，讓這款小機(jī)器人可以在被遠(yuǎn)程操控在一個(gè)硬幣的邊緣自由行走。

未來，這個(gè)機(jī)器人可以被用于密閉空間作業(yè)，甚至可以用于微創(chuàng)手術(shù)。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn0602。

靈感來自“窺趾蟹”，是陸地上最小的微型機(jī)器人

從外形看，這款機(jī)器人有8只腳，還有一對(duì)鉗子，圓圓的身子和螃蟹非常相似，它的靈感確實(shí)也是來自一款螃蟹——“窺趾蟹”

這項(xiàng)研究的首席研究員約翰·A·羅杰斯(John A. Rogers)說，他們的工作補(bǔ)充了其他研究毫米級(jí)機(jī)器人的科學(xué)家的工作，例如，蠕蟲狀結(jié)構(gòu)可以通過帶鞭毛的液體介質(zhì)移動(dòng)。

但據(jù)他所知，他們的螃蟹微型機(jī)器人是最小的陸地機(jī)器人，只有半毫米寬，可以在露天的固體表面行走。

該機(jī)器人由三種關(guān)鍵材料組成: 一種用于身體和四肢部位的電子級(jí)聚合物;形成“活動(dòng)”部件的 形狀記憶合金(SMA);還有一層薄薄的玻璃作為外骨骼來增加結(jié)構(gòu)的硬度。

羅杰斯補(bǔ)充說，他們不受這些特殊材料的限制，然而，他的團(tuán)隊(duì)正在尋找集成半導(dǎo)體材料和其他類型導(dǎo)體的方法。

形狀記憶合金(SMA)幫助“小螃蟹”運(yùn)動(dòng)

由于形狀記憶合金(SMA)的存在，這種微小的機(jī)器人能夠快速移動(dòng)。這類材料在一定溫度下發(fā)生相變，引發(fā)形狀變化。

羅杰斯說: “所以你在初始幾何圖形中創(chuàng)建材料，使它變形，然后當(dāng)你加熱它時(shí)，它會(huì)回到初始幾何圖形……我們利用形狀變化作為某種機(jī)械驅(qū)動(dòng)器或某種肌肉的基礎(chǔ)。”

對(duì)于如何讓記憶金屬加熱，研究人員使用激光光束聚焦在機(jī)器人身上。

羅杰斯說: “每當(dāng)激光束照亮機(jī)器人的形狀記憶合金部件時(shí)，就會(huì)引起相位變化和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)激光束移開時(shí)，這些部件就會(huì)得到快速冷卻，肢體就會(huì)回到變形的幾何形狀。”

因此，掃描機(jī)器人全身的激光光斑可以順序激活各種關(guān)節(jié)，從而建立步態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向。

雖然這種方法有它的優(yōu)點(diǎn)，羅杰斯想探索更多的選擇。羅杰斯說: “有了激光，你需要某種光學(xué)接入... ... (但是)取決于你希望機(jī)器人在哪里工作，這種方法是否可行?！?/p>

微型機(jī)器人專家的自然哲學(xué)

這不是羅杰斯第一次參照自然界的事物制造亞毫米大小的機(jī)器人。

他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出了類似蠕蟲和甲蟲的微小結(jié)構(gòu)，甚至還有一個(gè)有翼的微芯片，它可以被動(dòng)地在空氣中移動(dòng)，其原理與風(fēng)傳播種子的原理相同。

2015年，羅杰斯和他的同事還發(fā)表了一篇論文，論述了如何利用日本剪紙藝術(shù)(例如在彈出式書籍中看到的)的“紙神”(kirigami)概念來設(shè)計(jì)他們的機(jī)器人。

他們使用由硅晶片支撐的高保真多層圖案材料堆棧，但是盡管這些材料對(duì)集成電路很有用，但是它們“對(duì)機(jī)器人沒有好處，”羅杰斯說，因?yàn)樗鼈兪潜馄降?。為了將他們帶入第三維度，研究“氣”的原理是一個(gè)起點(diǎn)。

正如羅杰斯所強(qiáng)調(diào)的，他們的研究目前純粹是探索性的，試圖將一些額外的想法引入微機(jī)器人工程。

“我們可以移動(dòng)這些機(jī)器人，讓它們朝不同的方向發(fā)展，但它們不執(zhí)行特定的任務(wù)，”他說。

例如，即使螃蟹機(jī)器人有爪子，這些只是為了視覺目的，他們不移動(dòng)或抓住物體。“為任務(wù)執(zhí)行創(chuàng)造能力將是這一領(lǐng)域研究的下一步，”他說。然而，現(xiàn)在，制作多材料3D結(jié)構(gòu)和使用SMA進(jìn)行雙向驅(qū)動(dòng)是他的團(tuán)隊(duì)對(duì)更廣泛的研究所做貢獻(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵部分。

為了進(jìn)一步的探索，他和他的同事們正在考慮如何增加這種規(guī)模的抓取或操縱物體的能力，以及如何為機(jī)器人增加微電路、數(shù)字傳感器和無線通信。例如，機(jī)器人之間的通信可以讓它們像一個(gè)群體一樣工作。另一個(gè)需要研究的領(lǐng)域是增加某種由光伏供電的局部電源，例如，通過一個(gè)微控制器按時(shí)間順序提供局部加熱來控制運(yùn)動(dòng)。

就潛在的應(yīng)用而言，羅杰斯設(shè)想微型機(jī)器人可用于密閉空間的工作，主要用于微創(chuàng)手術(shù)，其次是用于制造其他微型機(jī)器的車輛。但他也提倡謹(jǐn)慎行事: “我不想過分夸大我們所做的事情。人們很容易幻想這些機(jī)器人進(jìn)入人體，在醫(yī)療方面做一些強(qiáng)有力的事情。(但)這正是我們想去的地方，也是我們大量工作的動(dòng)力所在?！?/p>

相關(guān)報(bào)道：

• https://spectrum.ieee.org/microrobots-walking。
• https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn0602。
• https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y。
• https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1515602112。