3D打印微型機(jī)器人助力科學(xué)家研究其步態(tài)動(dòng)力學(xué)

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(dāng)小，但這并不能阻止它們占領(lǐng)整個(gè)地球。一直以來，機(jī)器人專家們都在嘗試制造出尺寸堪比普通昆蟲的小機(jī)器人。但是嚴(yán)格來說，這些機(jī)器人仍然比較大，差不多相當(dāng)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(yàn)世界的方式大不相同，因此，要對其進(jìn)行有效地研究就變得困難多了。

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

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

為了找出最適合這種非常小的有足機(jī)器人的最佳步態(tài)，Ryan St. Pierre最初計(jì)劃是先制造出像RHex這樣的輪腿式六足機(jī)器人，然后再縮小其尺寸。RHex的優(yōu)點(diǎn)是其每條腿都可以獨(dú)立控制，因此很容易進(jìn)行各種不同步態(tài)的實(shí)驗(yàn)。不過一開始小RHex機(jī)器人表現(xiàn)得并不好，因?yàn)樗�的腿往往�?huì)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(jī)器人。值得一提的是，整個(gè)機(jī)器人都是一次3D打印而成的，無需組裝。當(dāng)打印出來之后，你只需在上面裝上電動(dòng)機(jī)，它就能行走了。

由于這些機(jī)器人體型太�。�每個(gè)四足機(jī)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(dá)和電池。與此相反，該機(jī)器人主要靠一個(gè)外部磁場產(chǎn)生的磁力驅(qū)動(dòng)。具體來說，每個(gè)機(jī)器人腿根部都植入了一個(gè)2毫米的釹磁鐵塊，當(dāng)你在離機(jī)器人足夠近的距離旋轉(zhuǎn)一個(gè)巨大的磁體時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場讓這些小的磁鐵旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的雙腿。通過改變其腿部磁鐵偶極的方向并且進(jìn)行不同的組合，就能使機(jī)器人按照不同的步態(tài)移動(dòng)，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(dòng)的四腿蹦跳步態(tài)可以達(dá)到78毫米/秒的平均最高速度，即每秒近四個(gè)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(guān)于步態(tài)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，比如機(jī)器人在其移動(dòng)時(shí)身體前后俯仰得越多，在跨越崎嶇的地形時(shí)就越有效率，但是在平坦的地形上這種方式會(huì)更慢�！盧yan說。

Ryan稱，在3D打印機(jī)的幫助下，他只需一步就能制造出一大堆這樣的微型機(jī)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(jī)器人變得更小，請看下圖：

這是一個(gè)一角硬幣大小、100毫克的四足機(jī)器人，但是表現(xiàn)得與那些更大的機(jī)器人沒有什么區(qū)別，因此這些機(jī)器人沒有任何理由不會(huì)變得更小。Ryan說：“要使機(jī)器人盡可能地小始終是一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)。目前，我正在制作一個(gè)機(jī)器人，使用相同的設(shè)計(jì)，但只有2.5毫米長，比我們在ICRA上展示的小一個(gè)數(shù)量級(jí)，更小的機(jī)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)