机器昆虫从科幻“爬”进现实

图片说明1：北航团队研制的机器昆虫BHMbot。

图片说明2：哈佛大学团队研制的HAMR-Jr机器昆虫。

本报记者 陈子帅

科幻电影里的机器昆虫正在“爬”进现实。北京航空航天大学团队自主研制了一款无须连接电线、能够在负载5.5倍自身质量重物后实现快速爬行的微型机器昆虫BHMbot（BeiHang Microrobot），相关研究成果近日在国际学术期刊《自然·通讯》上发表。机器昆虫要实现哪些技术突破？它们又将在哪些领域发挥本领？《环球时报》记者对该实验室进行了探访并专访了该团队负责人、北航能源与动力工程学院院长闫晓军。

需要解决哪些技术问题

在北航实验室，《环球时报》记者直观地看到，这只身长2厘米、重1.76克的“昆虫”驮着一块小型电池，不仅外形与甲壳虫相似，步态也十分灵巧与逼真。研究人员在手机端发送指令，BHMbot就能在桌面上前进、后退、转弯或者沿着圆形路线“转圈”，甚至能在无线遥控下穿越一堆石块障碍。

这些操作看起来容易，但实际上克服了过去制约机器昆虫发展的几项关键挑战：如何提高机器昆虫的载重能力、如何精确控制机器昆虫的运动轨迹以及如何提高动力系统的能量转换效率。

闫晓军告诉《环球时报》记者，过去他主要研究大型发动机，十多年前为了钻研如何将发动机做得更小、更精，他去海外进行了访学。访学期间，受到其他交叉学科的灵感启发，他一直在思索如何做出一套微型动力系统。2010年回国后，他开始研究机器昆虫，而这次BHMbot的最大亮点和核心部件就在于他们自主研发的微型动力系统。

根据现场展示，这套新型动力系统由直线式驱动器和柔性铰链组成，它们能够实现电能到动能的高效转换，从而使得机器昆虫无须外接电机与电线也能运动。其原理可以简单理解为，昆虫背上小型电池中的电能转化为机械能，引发磁铁振动，进而带动腿部关节的运动。

灵敏性（包括相对爬行速度、转弯角速度和转弯半径等）是评价一只机器昆虫性能好坏的重要指标，这也是BHMbot的另一个技术亮点。通常来说，机器昆虫在载重后往往会遇到性能衰退问题，爬行速度会受到摩擦力的明显影响，但BHMbot在承载5.5倍自身质量的重物后，仍能维持25倍身长每秒（约50厘米每秒）的速度，这在国内外脱线机器昆虫中，也处于性能领先地位。

“我们的机器昆虫采用仿生奔跑步态，它的速度随载重呈现先增后减的趋势，这意味着在一定条件下其负载速度甚至可以超过空载速度。这在其他机器昆虫身上还没有实现。”北航博士生、团队成员詹文成告诉记者，这也是为何要将微型机器人做成昆虫形态的原因，“当机器的尺寸下降到厘米甚至毫米级别时，我们发现腿式运动的效率更高，运输成本更低，即同等能量下腿式驱动能够爬行的路程更远。”詹文成说，这是向神奇的大自然学习。

此外，该团队还首创了一种基于双腿频率差的控制方法，自主研制了厘米级的微型控制和通信电路，通过预设程序，BHMbot机器昆虫就可以实现圆形、矩形甚至更复杂的运动轨迹。“BHMbot两条前腿的振动频率不同，如果一条振动快，一条振动慢，那么它就会转弯。”闫晓军介绍说。

国外也在加速研发

当前，全球在前沿技术领域的竞赛日趋激烈，机器昆虫相关技术也早已成为美欧顶尖高校实验室的重点攻克对象。“学术和科研就是追求极限，而机器昆虫就是典型代表。”闫晓军表示，目前我国在微型机器昆虫领域处于第一梯队，BHMbot的零部件和技术也都是自主研制。

《环球时报》记者梳理发现，过去几年，哈佛大学、瑞士洛桑联邦理工学院、约翰·开普勒林茨大学和康奈尔大学等一批欧美高校都推出不同大小、形态和性能的机器昆虫。例如，2023年康奈尔大学研制出长29毫米、重1.6克、能够垂直跳跃59厘米、负载自身重量22倍物体进行爬行的机器昆虫。但它依靠气体之间的爆炸来提供动能，所以存在自燃风险，并且该机器昆虫没有实现脱线作业。在脱线昆虫领域，哈佛大学2018年发布的HAMR-F以及2020年升级的HAMR-Jr机器昆虫在性能上较出色，后者体长2.25厘米，重约0.3克，每秒速度达14个身长（约30厘米每秒）。专业人士认为，哈佛大学机器昆虫的优势在于地形适应能力强，在粗糙地面也能爬行。

“一般的机器昆虫往往做得很大，在4厘米以上，一些场景和空间无法进入；制作过程和所需零部件也更为复杂，例如控制机器昆虫向左转时，就需要一套单独的算法；它们的动力系统控制也较为复杂，导致昆虫本体质量大，爬行更费劲。”闫晓军告诉《环球时报》记者，各国、各个科研团队研发机器昆虫的技术路径和驱动原理不同，“目前无法判断哪种路径更优，可以说各有优势，大家都在探索之中。”不过，闫晓军非常看好中国发展机器昆虫的方法和路径。他提到，此前英国的学者也来过他们的实验室进行交流。

机器昆虫有哪些应用场景

现阶段机器昆虫仍停留在实验室研究阶段，它何时能赋能实际生活生产？它又适用于哪些领域？一篇关于脱线机器昆虫的国外学术论文提到，这些昆虫能够进入人类或传统机器人无法进入的空间，起到导航、检查或搜寻作用。闫晓军对《环球时报》记者介绍称，航空发动机检测和灾后救援有望是BHMbot的两大主要应用场景，他们正在推进相关项目，“预计3到5年内能够达成”。

据该科研团队介绍，目前BHMbot已完成求救信号采集验证，可以模拟灾后搜救的场景。在模拟场景中，BHMbot能够穿过石头等障碍物后到达倒塌房屋附近，然后采集房屋内部发出的求救信号并将其回传至控制端。凭借体积小、机动性高的特点，BHMbot未来还可以携带图像采集模块进入发动机内部开展结构损伤检测，这能够弥补现有目视检测和孔探检测技术可达性不足的缺陷，而BHMbot目前也已经实现在航空发动机内部曲面结构上的脱线可控爬行。“机器昆虫爬进发动机内部，能看到更多过去看不到的地方，它将录像实时传回手机屏幕，有利于我们提前发现故障。”

“想要走向实际应用，下一阶段重点就是提高BHMbot的技术可靠性。”闫晓军还透露，他们计划进一步提升BHMbot的性能和控制能力，让它“更聪明”，能够根据环境和地形实现自主避障。而从更长远来看，在机器昆虫的小型芯片上搭载人工智能技术，以及解决一群昆虫间的相互通信问题，也将是探索方向。▲