图片来源（yuán）：Kaushik Jayaram/Harvard SEAS

受昆虫生物学的启（qǐ）发，哈佛大学的一个团队正在突破其项目（mù）的极限，打造出有史以来最小（xiǎo）、速度最快的（de）微型机（jī）器（qì）人。

在名为（wéi）“哈佛移动微型机器人”(HAMR)项（xiàng）目的最新进（jìn）展中，研究人（rén）员表示，他们已经成功地将（jiāng）这个（gè）灵感（gǎn）来（lái）自蟑（zhāng）螂（láng）的机（jī）器人缩小到硬币大小。这个（gè）小（xiǎo）机器人虽然（rán）还（hái）不能爬上（shàng）水柱，但它可以奔跑、跳（tiào）跃、携（xié）带重（chóng）物和快速（sù）转弯。

这个被称为HAMR-JR的微型机器（qì）人是由哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学（xué）学院(SEAS)和哈佛威斯生物启发工（gōng）程研究所的研究人员携（xié）手开发的，它只（zhī）有受蟑螂启发的哈佛移（yí）动微（wēi）型（xíng）机器人HAMR的一半大小。

HAMR-JR只有一便（biàn）士（shì）大（dà）小，几乎可以完（wán）成它的大型前身的（de）所有壮举，促使（shǐ）它（tā）成（chéng）为迄（qì）今（jīn）为止最灵巧的微型机（jī）器人之一。

“这种规模的大多数机器（qì）人（rén）都相（xiàng）当简单，只（zhī）展示（shì）了基（jī）本的（de）移动（dòng）能力。”Kaushik Jayaram说，他是SEAS and Wyss的前博士后研究（jiū）员，也是该（gāi）论（lùn）文（wén）的（de）第一作者。“我们已经证明，你不需（xū）要为灵巧妥协或（huò）控制（zhì）大（dà）小。”

Jayaram目前（qián）是科罗拉多大学博（bó）尔德（dé）分校的助（zhù）理教授。

这项研究在（zài）本周的国际机器（qì）人和自动（dòng）化会议(ICRA 2020)上虚拟（nǐ）会议展示了出来。

这项（xiàng）研究面临的一个大问题是，用（yòng）于制（zhì）造HAMR早期版本和其他微型机器人(包（bāo）括RoboBee)的弹出式制造流程（chéng），是（shì）否可（kě）以用于制造多种（zhǒng）规模的（de）机（jī）器（qì）人——从微（wēi）型外科机（jī）器人到大型（xíng）工业（yè）机器人。

PC-MEMS(印刷电路微机电系统的缩写)是一种制造工艺，在这种工艺中（zhōng），机器人的（de）部件被蚀（shí）刻在一张2D的薄片上，然后以3D的形式呈现出来（lái）。为（wéi）了建造HAMR-JR，研究人员只是（shì）简单地缩小了机器人的2D平面设计——以及（jí）驱（qū）动器和车载电路——以重现一个具（jù）有所有相同功能的更小的机器（qì）人。

Jayaram说:“这（zhè）次试验的（de）奇妙之（zhī）处在于，我们不（bú）必对（duì）之（zhī）前（qián）的设计做任何改变。”“我们可以证明，这一制（zhì）造过（guò）程基本（běn）上（shàng）可以应用于（yú）各种尺寸的任何设备。”

HAMR-JR体长2.25厘米，重（chóng）约（yuē）0.3克，相当（dāng）于一枚（méi）硬币的重量，它（tā）奔跑速度惊人，使（shǐ）它不仅是最小的，也是最快的（de）微型机器人之一（yī）。 

这（zhè）项研（yán）究是由Jennifer Shum, Samantha Castellanos和（hé）E. Farrell Helbling共同撰写的。这项研究（jiū）得到了DARPA和维斯（sī）研（yán）究（jiū）所的支持。

对蟑（zhāng）螂的误解（jiě）

对这（zhè）位今年加（jiā）入CU Boulder的工程师Jayaram来说，这个（gè）项目是一系列机器人设计中最新的（de）一个（gè），这（zhè）些机器人的灵（líng）感来自一（yī）个不太可能的来（lái）源：令人厌恶的蟑螂。

Jayaram之前（qián）制造了一个名叫CRAM的小型机器人，它可以像城市里（lǐ）的害虫一样挤进（jìn）看似不可（kě）能的空间。他的另一个作（zuò）品能够头朝下（xià）撞（zhuàng）到墙上，然后继（jì）续跑——就像一（yī）只蟑（zhāng）螂一样。

“在上研究生之前，我从来都不喜欢蟑螂。”Jayaram说，“但后来（lái），这么多年来，我觉得，‘是啊，你太（tài）恶心了。但作为一（yī）种特别（bié）的生（shēng）物（wù），你也是非常有用的，我们可以从（cóng）中学到东（dōng）西（xī）。’”

设（shè）计用（yòng）来模仿这种讨厌昆虫的速度和（hé）机动性的（de）HAMR-JR，也（yě）带来了一系（xì）列工程上的挑战。

最主要的（de）就是动（dòng）力问题。这（zhè）种尺寸的机器人不（bú）能使用传统的马达。当它们太小的时候就会过热。因此，哈佛大学的研究（jiū）小组（zǔ）使用一种叫（jiào）做“压（yā）电致动器”的工具为HAMR-JR提供了动力（lì）。

此（cǐ）外，按比例缩小确实会改变（biàn）一些控制步长和关节刚度（dù）的（de）原则，因此研究人员还开发了一个模型（xíng），可以根据目标尺寸预测运动（dòng）指（zhǐ）标（biāo），如跑步（bù）速度、脚（jiǎo）力（lì）和有效载荷（hé）。然后可以使用该（gāi）模型来设计具有所（suǒ）需（xū）规范（fàn）的系统。

Jayaram解（jiě）释说，为了制（zhì）造这么小（xiǎo）的机器人，研究人员首先用激光将机器人的身体部分的（de）形状（zhuàng）蚀刻在一块碳纤维复合材料上。

Jayaram说:“我们在平面上（shàng）把所有东（dōng）西做（zuò）成二维结构，然后像折纸一样把它折叠起来，做成三维结构（gòu）。”“在显微镜下观察要花（huā）很多时间才能让它工作。”

小小机器人（rén），大有希望（wàng）

这些让眼睛的疼（téng）痛（tòng）得到了回（huí）报：HAMR-JR可以左右转弯，甚至可（kě）以向后（hòu）疾走。它跑步（bù）的（de）速（sù）度是它身体长度的14倍，也就是大约每秒1英尺（chǐ）。相比之下，哺乳动物世界中速（sù）度最快的动物——猎（liè）豹的冲刺速度约为（wéi）每（měi）秒16个（gè）身长。

HAMR-JR只是一个开始（shǐ），Jayaram补（bǔ）充（chōng）道。理论上，工程师们可以用他的团队同样的（de）方法制（zhì）造出更小（xiǎo）的机器人——铅（qiān）笔（bǐ）橡皮或者更小。

“我（wǒ）们证明了我们（men）的设计和制（zhì）造方法是高度（dù）可扩（kuò）展的。”Jayaram说，“我（wǒ）们可以把所有东西缩（suō）小或放大（dà），机（jī）器人仍然可以工作。”

现在，Jayaram想看看他还能（néng）从昆虫（chóng）身上获（huò）得什么（me）灵感（gǎn）：他能（néng）不能（néng）做一个有6条或8条腿的（de）微型（xíng）机器人来取代HAMR-JR的4条腿?那么，如果一个小机器人足够灵活，即使被踩到也能存活下来呢?

换句话说，当你身边有（yǒu）蟑螂的时（shí）候，没有什么是你做不到的。

“我对生物学（xué）和工程学边缘的问题感兴趣HAMR-JR”Jayaram说，“什么（me）是生（shēng）物学能做而工程学不能做的？”

前身——微型（xíng）机器（qì）人HAMR

2018年，哈佛大学在《自然通讯（xùn）》发表研究，展示了灵（líng）感来自蟑螂的微型机器人HAMR，既能在陆地上行（háng）走（zǒu），也能在水面（miàn）上游泳、在水下行走，只（zhī）要需要（yào），就（jiù）可以探索（suǒ）新（xīn）的环境（jìng）。作为对比，在自然界中，蟑螂可以在水下存活（huó）30分钟，但现（xiàn）在，蟑螂机器人青出于蓝（lán）而胜（shèng）于蓝。

HAMR使（shǐ）用（yòng）多功能（néng）脚垫，依靠表面张力和表面张力诱导浮力，当（dāng）HAMR需要游泳，也可以施加电压（yā）打破水面，当HAMR需要下沉。这一过程被称为电润湿，即（jí）在施（shī）加的电压下减小材料与（yǔ）水表面（miàn）的接触（chù）角。接触（chù）角的变化使得物体更容（róng）易突（tū）破（pò）水面。

研究人员表示，这项研究表明,微型机器人可以利用（yòng）小规模的物理——在这（zhè）种情况下表面（miàn）张力来执（zhí）行（háng）功能和挑战更大的机器（qì）人。

HAMR重1.65克(相当于一个大回形针的（de）重量)，可以在不下沉的情况下额（é）外（wài）携带1.44克的有（yǒu）效载荷，它摆动（dòng）腿的频率可（kě）达10赫兹（zī）。上（shàng）面涂了一层（céng）聚二甲苯，防止它在（zài）水下（xià）短路。

一旦进（jìn）入水面以下（xià），HAMR就会像在陆地上一样走路，而且移动（dòng）自（zì）如。要回到干燥的陆地，HAMR面临着来自（zì）水的巨大挑战。一种（zhǒng）相（xiàng）当于机（jī）器（qì）人重量两倍的水面（miàn）张（zhāng）力向下压在机器人身上，此外，这种诱（yòu）导力（lì）矩还会大大（dà）增加（jiā）机器人后腿的（de）摩擦力。

研究人员加固了机器人的（de）传动装置，并在机器人的前腿上安装（zhuāng）了软（ruǎn）垫，以增加负（fù）载能力，并在爬升过（guò）程中（zhōng）重新分（fèn）配（pèi）摩擦力。最后，爬上一（yī）个适当（dāng）的斜坡，机器人就（jiù）能（néng）跳出水面。

编译/前瞻经（jīng）济学人APP资（zī）讯组

原（yuán）文来源（yuán）：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200603122948.htm

https://www.colorado.edu/today/2020/06/03/cockroach-inspired-robot-among-smallest-fastest-ever