比跳蚤還小的遙控「螃蟹」為微型機器人鋪路

作者 : Northwestern University

美國西北大學研究人員開發出有史以來最小的遙控步行機器人——這些小螃蟹機器人只有半毫米寬,可以彎曲、扭曲、爬行、行走、轉身甚至跳躍...

美國西北大學(Northwestern University)工程師開發出有史以來最小的遙控步行機器人——這些小螃蟹機器人只有半毫米寬,可以彎曲、扭曲、爬行、行走、轉身甚至跳躍。研究人員還開發了類似於蟋蟀和甲蟲的毫米級機器人。

儘管目前這項研究處於探索性階段,但研究人員認為,新開發這項技術可望使該領域更接近於實現能在狹窄空間中執行實際任務的微型機器人。

這項研究已發表於《Science Robotics》期刊。值得一提的是,去年 9 月,同一支團隊曾經推出一種帶翼的微晶片,可說是有史以來最小的人造飛行結構。

「機器人學是一個令人振奮的研究領域,微型機器人的發展更是有趣的學術探索主題。」帶領這項實驗工作的 John A. Rogers 說:「您可能會將微型機器人想像為工業中修復或組裝小型結構或機器的代理,或者在微創手術作為手術助理,協助清除阻塞的動脈、止血或消除癌性腫瘤。」

次毫米級機器人的應用範圍從臨床醫學中的微創外科手術工具到生物學研究,用於作為操縱細胞/組織的工具。然而,可用於此類機器人的結構和材料種類有限,對於實現所需的性能參數和操作模式帶來了挑戰。

比跳蚤還小的螃蟹機器人站在硬幣的邊緣。(圖片來源:Northwestern University

「我們的技術能夠實現各種受控的動作模式,並且能每秒以其身體長度一半的平均速度行走,」帶領這項理論工作的黃永剛表示。「對於陸地機器人來說,要在這麼小的規模上實現這一點非常具有挑戰性。」

研究人員開發的這種螃蟹機器人比跳蚤還小,但它並不是由複雜的硬體、液壓或電力驅動。相反地,它的動力來自於其身體的彈性。為了建構這款機器人,研究人員使用了一種形狀記憶合金材料,可在加熱時轉變為其所「記憶」的形狀。在此情況下,研究人員使用掃描的雷射光束在整個機器人身體的不同目標位置快速加熱。一層薄薄的玻璃塗層在冷卻時彈性地使相應的結構部份恢復到其變形的形狀。

比跳蚤還小的微型螃蟹機器人「排排站」。(圖片來源:Northwestern University

當機器人從一個階段改變到另一階段而產生動作,這種「變形」使其記憶形狀並再次變回原形。雷射不僅遠端控制機器人啟動,雷射掃描方向也決定了機器人的行走方向。例如,從左向右掃描導致機器人從右向左移動。

「因為這些結構非常微小,冷卻速度非常快,」Rogers解釋說。「事實上,縮小這些機器人的尺寸可以讓它們跑得更快。」

為了製造這麼細微小的小動物,Rogers和黃永剛轉向其於八年前介紹的技術——該組裝技術來自於彈出式的兒童書籍啟發。

首先,該團隊以平坦的平面幾何形狀製造了行走的螃蟹結構前體。然後將這些前體黏合到略微拉伸的橡膠基材上。當拉伸的基材鬆弛時,會發生受控的屈曲過程,導致螃蟹「彈出」成精確定義的三維形狀。

比跳蚤還小的四隻螃蟹機器人,展示其行走技巧。(影片來源:Northwestern University

這種製造方法讓西北大學的研究團隊可以開發出各種形狀和大小的機器人。

「採用這些組裝技術和材料概念,我們可以製造幾乎任何尺寸或 3D 形狀的步行機器人,」Rogers說。「但學生們對這種微型螃蟹機器人的側身爬行動作感到鼓舞也被逗樂了。」

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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