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(chóng)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(lái),，機(jī)器人專家們都在嘗試制造出尺寸堪比普通昆蟲(chóng)的小機(jī)器人。但是嚴(yán)格來(lái)說(shuō),，這些機(jī)器人仍然比較大,，差不多相當(dāng)于巨甲蟲(chóng)或者蛾子的大小，而大多數(shù)昆蟲(chóng)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(duì)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(lái)自美國(guó)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(kāi)了大門(mén),。

實(shí)際上,，從2009年以來(lái)，這種硬幣大小,、重量?jī)H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?jī)H有1.7克,。不過(guò),，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(shuō),，能走幾步就不錯(cuò)了，根本無(wú)法進(jìn)行針對(duì)小機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)一開(kāi)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(wú)需組裝,。當(dāng)打印出來(lái)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(zhǎng)，5.6毫米高,、重量約為1.6克）,，因此無(wú)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(chǎng)產(chǎn)生的磁力驅(qū)動(dòng),。具體來(lái)說(shuō)，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(chǎng)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(guò)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(zhǎng),。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(guò)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(shuō)。

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(guò)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(qǐng)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(méi)有什么區(qū)別,，因此這些機(jī)器人沒(méi)有任何理由不會(huì)變得更小。Ryan說(shuō)：“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(zhǎng),，比我們?cè)贗CRA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(wú)法想象的功能�,！�

文章來(lái)源：3d打印智造網(wǎng)