3D打印微型機器人助力科學家研究其步態(tài)動力學

不知你是否注意到，在自然界里，大多數(shù)昆蟲的體型都相當小，但這并不能阻止它們占領整個地球。一直以來，機器人專家們都在嘗試制造出尺寸堪比普通昆蟲的小機器人。但是嚴格來說，這些機器人仍然比較大，差不多相當于巨甲蟲或者蛾子的大小，而大多數(shù)昆蟲都要比這小得多。體型的不同，也就意味著它們體驗世界的方式大不相同，因此，要對其進行有效地研究就變得困難多了。

在上個月舉辦的世界機器人與自動化大會（ICRA）上，來自美國馬里蘭大學的Ryan St. Pierre和Sarah Bergbreiter教授提交了一篇關于重量不到2克的磁驅(qū)動有足機器人的步態(tài)特征的論文，為更加深入地研究微型機器人打開了大門。

實際上，從2009年以來，這種硬幣大小、重量僅有幾克的機器人就已經(jīng)不斷出現(xiàn)了。2009年，加州大學伯克利分校展示了其僅有2.4克重的6足自主爬行機器人（RoACH）；幾年后，哈佛大學的微型步行機器人（HAMR）就將腿的數(shù)目減少到了4個，而質(zhì)量僅有1.7克。不過，這些微小的機器人固然很酷，但它們大多數(shù)僅僅是為存在而設計的，也就是說，能走幾步就不錯了，根本無法進行針對小機器人動力學的實驗測試。

為了找出最適合這種非常小的有足機器人的最佳步態(tài)，Ryan St. Pierre最初計劃是先制造出像RHex這樣的輪腿式六足機器人，然后再縮小其尺寸。RHex的優(yōu)點是其每條腿都可以獨立控制，因此很容易進行各種不同步態(tài)的實驗。不過一開始小RHex機器人表現(xiàn)得并不好，因為它的腿往往會鎖在一起，所以Ryan去掉了中間的兩條腿，使其變成了輪腿式4足機器人。值得一提的是，整個機器人都是一次3D打印而成的，無需組裝。當打印出來之后，你只需在上面裝上電動機，它就能行走了。

由于這些機器人體型太�。�每個四足機器人僅20毫米長，5.6毫米高、重量約為1.6克），因此無法使用傳統(tǒng)的馬達和電池。與此相反，該機器人主要靠一個外部磁場產(chǎn)生的磁力驅(qū)動。具體來說，每個機器人腿根部都植入了一個2毫米的釹磁鐵塊，當你在離機器人足夠近的距離旋轉(zhuǎn)一個巨大的磁體時，轉(zhuǎn)動的磁場讓這些小的磁鐵旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動機器人的雙腿。通過改變其腿部磁鐵偶極的方向并且進行不同的組合，就能使機器人按照不同的步態(tài)移動，比如小跑、像鴨子一樣搖擺著走、彈跳和四腿蹦跳（pronking）等。在平地上，以10赫茲驅(qū)動的四腿蹦跳步態(tài)可以達到78毫米/秒的平均最高速度，即每秒近四個身長。另外四腿蹦跳也被證明是在崎嶇度適中的地形上表現(xiàn)最好的步態(tài)，不過隨著崎嶇度的加劇，其它步態(tài)反而表現(xiàn)得更好。

“我們已經(jīng)了解可更多關于步態(tài)動力學的知識，比如機器人在其移動時身體前后俯仰得越多，在跨越崎嶇的地形時就越有效率，但是在平坦的地形上這種方式會更慢�！盧yan說。

Ryan稱，在3D打印機的幫助下，他只需一步就能制造出一大堆這樣的微型機器人，而且精確度很高，這就大大加快了他的研究過程。而且，只要能夠裝得下小磁鐵，他就能將機器人變得更小，請看下圖：

這是一個一角硬幣大小、100毫克的四足機器人，但是表現(xiàn)得與那些更大的機器人沒有什么區(qū)別，因此這些機器人沒有任何理由不會變得更小。Ryan說：“要使機器人盡可能地小始終是一個有趣的挑戰(zhàn)。目前，我正在制作一個機器人，使用相同的設計，但只有2.5毫米長，比我們在ICRA上展示的小一個數(shù)量級，更小的機器人能夠?qū)崿F(xiàn)我們以前無法想象的功能。”

文章來源：3d打印智造網(wǎng)