最敏捷机器蟑螂诞生！6秒内穿越1.2米迷宫，可用于气体泄漏检测和灾难救援 | 专访

真蟑螂踩不死，机器人蟑螂竟然也能踩不死？

图｜蟑螂机器人（来源：受访者）

不仅踩不死，而且还能走迷宫。

（来源：受访者）

6 月 30 日，相关论文以《静电脚垫使具有轨迹控制的敏捷昆虫级软体机器人成为可能》（Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control）为题发表在 Science Robotics 上，论文作者主要来自清华 - 伯克利深圳学院、澳门大学以及卡内基梅隆大学。

图 | 林立伟（来源：受访者）

对于该论文的第一作者梁家铭，担任该论文共同通讯作者的加州大学伯克利分校机械工程系林立伟教授对其十分称赞：“他本来 2020 年就可以毕业，为做好本次研究他将毕业延后了一年，这需要很强大的决心。”

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像猎豹一样敏捷旋转的蟑螂机器人

此次研究成果是一款电子蟑螂机器人，它能像猎豹一样敏捷地转弯。而且运动轨迹可以被精确控制，因而能穿越复杂地形、并快速避开意想不到的障碍。

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问及立项原因，林立伟说，蟑螂在跑的时候，又快又灵敏，所以才叫 “打不死的小强”，踩它的时候不仅要狠狠地踩一脚，甚至扭着脚脖踩，都不一定能踩死。

该团队希望把这些特点复制到机器人上，因此选择了不易被踩坏的塑胶材质材料，该材料由一种薄的分层材料构成，当施加电压时，材料会弯曲和收缩。

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很多大型机器人都是金属材质，受到外力容易被折断，因此很难实现高敏捷性和轨迹控制能力。塑胶材质的好处在于，踩下去之后它会变形，但是撤掉外力后又会恢复原状，而且比较容易进行精细加工，总的来说十分适合用来做小型化柔性机器人。

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由于柔韧性较强，即便承受 60 公斤的踩踏力，它也依旧保持完好。蟑螂机器人的外表是金属色，这并不是塑料材质的颜色，而是为了让机器人能导电，该团队在表面镀了一层薄金。

蟑螂机器人的主体是一个以结构谐振频率驱动的弯曲压电薄膜，主体提供前进动力，两个静电脚垫用于控制其快速的转弯运动。

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它可实现每平方秒 28 体长的高相对向心加速度，这优于包括蟑螂在内的常见昆虫，以及目前已报道的所有柔性机器人的敏捷性。

他们让机器人在乐高迷宫中行走以验证其敏捷的运动能力，它用 5.6 秒走过一条 120 厘米长的迷宫轨道。

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机器人分为无线版本和有线版本，无线版本和有线版本的材料、以及操作原理都一样，但在做无线版本时要加上电池，还要加一个柔性电路板和光敏电阻，才能做控制柔性机器人的运动轨迹，因此无线版本比较重。

为此，该团队给无线版本增加了支撑梁，以支撑新增的重量。材料上，耗费的价格非常低廉，有线版本的成本不到一美元，无线版本的成本会稍微高一些，因为含有电池等电子元器件。

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无线版本的机器人，重量为 240 毫克，其可以搭载 1660 毫克的有效载荷，包括控制电路、电池和光敏电阻。目前，在激光指引下，无线版本机器人可在 36.9 秒内，走完指定的 27.9 厘米长的 “S” 形路径。

事实上，当把各部件不断缩小尺寸时，会使机器人移动得非常缓慢。以本次机器人为例，它的尺寸比常见的蟑螂还要小，做得越小挑战就越大，小型机器人的电源会成为一个不小的问题。

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因此该研究的难题在于，把机器人做小之后，再让它承载重物就会跑得很慢。该团队在两年前发表的论文中，就曾介绍过一款运动速度很快的机器人，大约是 20 个身体长度（Body Length）每秒。

之所以用这样的单位来计算，举例来说如果对比蚂蚁奔跑速度和人类奔跑速度，蚂蚁永远无法超过人类。

但如果以蚂蚁身体的长度来做单位，未必就会输给人类。因此林立伟用 Body Length 来做单元，这时蚂蚁的相对运动速度就会超过人类。

图 | 用 Body Length 来做单元（来源：受访者）

两年前的这一成果，存在的问题是虽然跑得快，但是无法控制运动方向，本次研究中林立伟课题组给机器人添加两个静电脚垫来调节机器人左右脚与地面之间的摩擦力，这样就能控制左右转向。

其他部分能以脚垫为支点进行旋转，如此就能实现对于机器人行走轨迹的操控，比如即便向心加速度超过大多数昆虫，它也能实现顺利转弯。而在这项工作中，主要的创新是添加这两个脚垫并简化控制策略，使其能够非常非常快地转弯。

图 | 蟑螂机器人的脚垫（来源：受访者）

可用于气体泄漏检测和灾难救援

在应用上，林立伟说这样小巧、健壮的机器人可能是进行搜救行动、或调查其他危险情况的理想选择，例如用来检查可能的气体泄漏。

给机器人安装一个 180 毫克的气体传感器，设定它的行走路径后，即可收集范围内气体的浓度信息，遇到气体含量较高的地方，就能获悉气体泄露的具体地点，并进行救援处理。

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要实现市场应用，要克服的困难依然是把机器人做小，那么在电池和传感器的处理上就会比较困难。

未来还有望用于灾难搜救，林立伟举例称，最近美国佛罗里达州住宅楼倒塌事故，导致数十人死亡，如果使用这款蟑螂机器人，那么就能沿着缝隙往下爬，查看是否还有人被压在建筑物下面，从而实现精准救援。

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