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以蟑螂为灵感的微型机器人机器人中打不死的小强

2019-11-21 21:52:40

蟑螂素以“打不死的小强”闻名于世。踩过一脚后，它不仅没死，还会一溜烟轻巧地溜走。这种特性放在害虫上固然讨厌，但如果能移植到机器人上岂不妙哉？清华大学和美国加州大学伯克利分校的科学家们近日就研发出了一款以蟑螂为灵感的微型机器人。

从表面上来看，这款机器人只是一块金属薄片：长度3厘米，重量不到0.07克。但加上电压后，它就能以每秒20个自身长度的速度移动，轻松弹跳、爬坡，甚至负荷6倍于自身重量的重物行动。

“踩不死”的小强机器人

最有趣的是，即使成年人一脚踩上去，该机器人也不会损坏，就像真正的小强一样生命力旺盛。

“小强机器人”研发团队成员、美国加州大学伯克利分校机械工程系教授林立伟向澎湃新闻记者介绍了这项发表在《科学•机器人学》上的最新成果。他表示，这个蟑螂机器人并非完美，因它毕竟还需要被拴在一根电线上才能移动。“未来想在蟑螂身上加一块电池，这样移动可以更自由。”

速度提升百倍

这个速度快，会爬坡，能弹跳，负重能力超强的小小薄片到底是怎么跑起来的呢？秘密在上图的PVDF中。PVDF是一种压电材料，两端加上电压后就会收缩或膨胀。

当给PVDF加上交流电后，它就会反复在弯曲和伸直的状态之间变化，这样“甲壳”的形状也就随之变化，通过“前腿”撞击地面，进行弹跳运动，甚至能爬上斜坡，携带6倍于自身重量的重物行动。

蟑螂机器人背着有自身6倍重的坚果爬行

林立伟回忆道，这项研究早期遇到的瓶颈是机器人的运动速度太慢，“最初，它每分钟只能移动1厘米。”而后，该团队又输入不同频率的电流进行数次实验，最终发现用接近共振频率驱动蟑螂机器人可以大大提升其速度。

不同电流频率下蟑螂机器人的运动速度

现在的蟑螂机器人可以每秒20个自身长度的速度移动，较初版提升了百倍。而且，如果把该蟑螂机器人的一条腿换成两条，其爬行速度还能继续加快。

柔性材料强化生命力

整体而言，相较于前代的蟑螂机器人，该款机器人在多个方向上有了重大突破。首先，是体积的缩小。前代科学家把控制电路板都放在蟑螂机器人机身上，因此其体积是普通蟑螂的10倍大；而该蟑螂机器人是牵线式的，控制系统在别处，大大缩小了体积，增强了灵活度。

蟑螂机器人能以每秒20个自身长度的速度移动

其次，前代蟑螂机器人多用硬性材料制作而成，抗压性实则不强，容易损坏。该款机器人“踩不死”的顽强生命力，则得益于柔性材料的应用。

在电子显微镜下，才能看清蟑螂机器人的结构：一个薄薄的截面上有数层材料，其中热塑层夹在钯金电极之间，用黏合剂硅胶黏合在底部的塑料件上。

电子显微镜下蟑螂机器人的结构

基于这些特点，蟑螂机器人可以应用于救灾活动。在地震时，机器人可以穿过瓦砾、钻进微小的缝隙中寻找生命。同样，蟑螂机器人也可以爬进管道等地方进行检查工作。它足够灵活，又足够坚强。

针对这项清华和伯克利强强联手的成果，在采访的最后，林立伟说道： “两所国际顶尖学府的研究者们互相交流，激发对方的灵感，对研究有巨大的帮助。很幸运，在这个国际化的时代，我们有这样的机会。”