踩不死的机器蟑螂,清华研究登上Science子刊

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本文经机器之心(微信公众号:almosthuman2014)授权转载,禁止二次转载

前段时间,「人类大虐『波士顿动力』机器人」的视频在网上走红,视频中的人用各种重物击打机器人,但却没有造成什么伤害。当然,这只是段打着「Bosstown dynamics」水印的合成视频。现实中的刚性机器人依然非常脆弱,但柔性机器人的耐受力可能要强得多,而且这种机器人一般结构简单、成本较低。最近,来自清华大学和加州大学伯克利分校的研究人员在《Science Robotics》杂志上展示了一个「纸条」形的小机器人,能以每秒 20 倍身长的速度移动,而且还经得起各种碾压和踩踏。

论文地址:https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/32/eaax1594.full.pdf

如图所示,这个原型机器人的尺寸仅 4.5 平方厘米(3 厘米乘 1.5 厘米),体重 64mg。它最大的特点是能经得住研究人员的各种「虐待」。比如,在它身上加个 100g 的砝码:

让一个 119 斤的人踩一脚:

走一个 15.6 度的斜坡(此处用到的机器人尺寸为 1x1.5cm^2,24mg):

背一个 6 倍体重(406mg)的花生:

如此抗压的机器人也就昆虫界的蟑螂可以媲美了。而且,据研究人员介绍,在众多已发表的昆虫体型机器人中,这款机器人的速度是最快的。

构造和行进机制

构造

由于这个机器人非常小,我们利用扫描电子显微镜才能看到其内部构造。

上图左上角是小机器人的横截面扫描电镜图像,从上到下共分为 5 层:其中第一层和第三层都是 50nm 厚的钯金电极(Pd/Au),中间夹着一层 18μm 厚的 PVDF 热塑性层,最下面两层则是 25μm 厚的硅粘合剂和 25μm 厚的 PET 材料。

此外,这个小机器人的下方还有能帮助前行的小脚。

运动机制

当交流电压(低至 8 伏,但通常约 60 伏)通过电极时,其中的 PVDF 热塑性层会发生周期性的伸展和收缩,导致机器人背部弯曲,而底下的小脚会发生移动,如下图所示:

研究人员还将该机器人的运动与蟑螂进行了对比:

尽管形态上比较特别,但与蟑螂类似,这个机器人的运动形态也是波形的。

为了进一步研究小机器人的运动机制,研究人员利用高速摄像机记录了其在 60V、200Hz 正弦交流电下的运动过程。如图所示,在施加交流电的一个周期内,机器人的位置和状态由(I)变到(V)。

状态(I)处的电压是-60V,机器人躯体伸展,前腿触地(ground-touching),腹部悬空(aerial)。1.1 毫秒之后,电压接近 0V,机器人恢复原状,但前腿仍然保持触地状态,腹部也依旧悬空,但与地面的距离略小于(I)。状态(III)处的电压升至 60V,机器人躯体收缩,腿和腹部都保持触地状态。

从状态(I)到状态(III),机器人的身体由伸展状态的近乎扁平到原始的弯曲状态,再到收缩的进一步弯曲状态。这种形状变化使得机器人的脚可以撞击地面,产生前进所需的反作用力。从状态(III)到状态(V),机器人身体发生类似的反向变化。

在高频电压驱动下,再加上多个地面影响因素和人工造成的改变,机器人的精确形状变化和运动相当复杂。然而,通过改变设计和运算参数,可以优化机器人的前进速度。例如,下图展示了在- 60 ~ 60v(黑线)驱动电压下原型机器人的横向位移(红线)和纵向位移(蓝线)实验结果。

下图比较了蟑螂垂直运动的两步循环和本文中的机器人步态相对于时间的关系。

运动分析

我们可以观察到这种机器人在运动中的四个主要姿势:悬空、前触、后触和双触地。在每个姿势中,机器人的身体可以根据当时施加的驱动信号进行伸展或收缩。总共有 8 种可能的配置(如下图所示),其中灰色是先前的形状,红色是当前的形状。在下图中,G、Ff 和 Fa 分别是重力、前腿的反作用力和末端(腹部)的反作用力。机器人的形状周期性地基于 PVDF 致动力而改变,以激发弯曲单压电晶片结构的弹性振荡。前腿和腹部的地面反作用力方向(图中蓝色箭头)会根据机器人的姿势和形状变化而改变。

从高速摄影机拍摄的照片显示了机器人收缩和伸展身体时的步态(从 A 到 D)。

运动速度比较

为了直观地量化这个机器人的速度,研究人员将其与动物和其他机器人进行了对比,如下图所示。

这张图表显示了一些哺乳动物(紫色区域)、节肢动物(橙色区域)和柔性机器人(蓝色区域)相对于其体重的运行速度。对于哺乳动物和节肢动物来说,相对速度与体重成反比:速度随着体重的减少而增加。然而,对于柔性机器人,这种关系似乎是相反的:速度随着体重的下降而降低。但本文中的柔性机器人遵循与动物相似的规律:相对速度随着体重的减少而增加。

图表左上角的数字 39 是 1916 年在加利福尼亚州一块岩石下发现的一种微小的螨。这种螨的大小不到 1 毫米,但它可以以每小时 0.8 公里的速度前进,即每秒 322 身长,使它成为迄今为止地球上最快的陆地动物。如果人的奔跑速度也能达到每秒 322 身长,我们的速度会在每小时 2000 公里左右。图表左上角几乎所有的点都是昆虫的速度标度,这不是巧合,因为随着质量的减少,执行器的作用也成比例地增加。

图表上其他速度与质量比比较显著的机器人是 27 号,这是一个来自 UMD 的磁驱动四足机器人。86 号也很优秀,它是加州大学伯克利分校的 X2-VelociRoACH

除了文中展示的这个小机器人外,研究人员还制作了一个两条腿的原型,它能够在空中停留更多的时间,因此奔跑速度也更快。研究人员表示,像这样的机器人可以用于「环境探测、结构检查、信息侦察和灾难救援」。

这项工作无疑令人印象深刻,其速度和鲁棒性在很大程度上是其他柔性机器人无法比拟的。由于驱动机器人所需的电压相对较低,因此不安装传感器似乎是可能的,如果他们也能在上面安装一些花生大小的传感器,那么实际应用可能很快就会出现。

参考链接:https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/surprisingly-speedy-soft-robot-survives-being-stepped-on

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原文发布于微信公众号 - 算法工程师之路(Zleopard7319538)

原文发表时间:2019-08-09

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