陈宇峰博士揭秘哈佛大学两款微型机器人及其在复杂环境中的应用
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前言
哈佛大学的机器人家族中有两款仿生机器人，它们虽然体型微小，却被业内广泛认为是未来最具有发展潜力的机器人之一。想必我不说很多人也能猜到，它们就是久负盛誉的仿生蜜蜂机器人RoboBee和仿生蟑螂机器人HAMR。
陈宇峰博士目前是哈佛大学的博士后研究员，参与了这两款机器人的后续研发工作，并多次在顶级期刊发表过相应文章。近期，机器人大讲堂邀请陈宇峰博士做了一次题为《仿生微型机器人在多种环境中的多步态运动》的线上分享，为我们详细解读了哈佛大学这两款微型机器人及其流体力学分析。
陈宇峰博士
为方便大家交流学习，机器人大讲堂将陈宇峰博士的分享内容精简整理如下（因扑翼流体力学太过复杂，这里没有介绍，感兴趣的小伙伴可以戳阅读原文观看视频学习）：
两款机器人的发展史
时间追溯到2008年，如今哈佛大学微型机器人实验室负责人Robert J. Wood教授确定了RoboBee的研发项目，并以自然界中的大黄蜂（体重120mg，扑翼频率180~250Hz）为仿生对象， 设计了一款体重仅80mg，扑翼频率在120~260Hz之间的微型机器人，并验证了这款微型扑翼机器人能够在垂直方向上起飞。
RoboBee的机身和翅膀都主要由碳纤维制成，发动装置是压电陶瓷。虽然目前RoboBee是采用外接方式供电，但将各个细小的零部件（大约有20多个）集成在仅有80mg的微型机器人身上，如果仅仅依靠人力在显微镜下操作显然费时费力，而且精度不高。
应对这个问题，哈佛大学微型机器人实验室在2011年开发出一种弹出式微机电系统（pop-up MEMS）制造技术。它使用印刷电路MEMS技术将不同材料组合在一起，使用激光切割技术切割出相应的轮廓，最后利用不同材料之间的弹性差，使机器人自动成型。
2012年，一篇关于RoboBee的文章发表在顶级期刊《Science》上，经过多年的努力，RoboBee实现了真正‘无人机’的功能，不仅能够平稳起飞，还可以做一些悬停和路径追踪的动作。
2015年，陈宇峰博士通过流体力学的模拟，证明RoboBee可以通过改变扑翼频率，完成在水下游动的任务。
2016年，关于RoboBee的另一篇《Science》文章发布，此时的RoboBee头上戴了一个类似于‘草帽’的电极，这个电极帮助微型机器人吸附在大多数物体表面，甚至包括玻璃、木头，以及柔软的树叶，这是以前任何一款飞行器都无法做到的，对于仿生机器人来说意义深远。
2017年，在陈宇峰博士的努力下，使RoboBee突破了水的表面张力，实现了从水中跃升到空气中的能力，并将文章发表在顶级期刊《Science Robotics》上。
仿生蟑螂四足爬行机器人HAMR是哈佛大学开发的另一款著名微型机器人。自然界中的普通蟑螂重量大约在0.75g左右，最高速度能高达1.5m/s。HAMR机器人与真实的蟑螂略有差别，它仅有4条腿，最高时速能达到40cm/s，体重分1.2g和2.8g两个版本。虽然这个速度和真实的蟑螂相差甚远，但HAMR每秒的速度已经是自己身长的8.4倍了，只能说现实世界中的蟑螂太过厉害。
HAMR机器人于2009年立项，当时哈佛大学微型机器人实验室设计出一款和蟑螂一样同样是6足的微型仿生机器人，但当时这款机器人只能以5cm/s的速度向前爬行。
2013年，微型机器人团队完全重新设计了HAMR，采用了与RoboBee同样的pop-up制造技术，此时的HAMR看上去高大上了很多，并且实现了30-40cm/s的速度。
在基本设计完成的情况下，微型机器人团队开始对HAMR进行进一步功能上的探索，比如2017年HAMR可以完成在陡坡上的爬行。
2017年，研究人员将电池传感器等部件集成到了HAMR身上，这便形成自重为2.8g的新版HAMR，虽然重量上的优势有所损失，但此时的HAMR再也不需要外接电源来帮它供电了。
2018年，在陈宇峰博士的探索下，使HAMR具备水陆两栖，并自由转换的能力。
扑翼飞行机器人在水和空气中的运动
在扑翼机器人的研究中，对于扑翼过程中的流体模拟与流体测量，有助于有效提高机器人的升力，并进一步在机器人身上安装更多传感器以实现更多功能。因而对扑翼流体力学的研究是开发RoboBee过程中至关重要的一步。
但由于RoboBee的扑翼频率很高，对于如何测量扑翼运动本身、如何测量扑翼运动带来的升力、阻力以及流场的变化都是在研究过程中面临的挑战。关于扑翼机器人流体力学的计算陈宇峰博士在视频分享中做了主要讲解，感兴趣的小伙伴戳阅读原文观看视频学习。
在对于RoboBee的研究中，陈宇峰博士做的主要工作包括研究在水和空气中的扑翼运动是否具有相似性以及扑翼机器人如何利用这种相似性去实现更多的功能。在研究的过程中也面临着如何利用一套发动装置实现机器人既能在空气中运动又能在水中运动、如何克服并利用水的表面张力等挑战。
通过计算，扑翼机器人在水和空气中的扑翼运动非常相似，因而通过改变机器人在水中的扑翼参数便可以达到在空气中非常相似的扑翼流场、升力和阻力等。
通过实验，也可以发现在空气和水中尽管扑翼频率不同但扑翼运动的被动转动是非常相似的，这也证明两个系统所得到的力非常相似，因而通过降低扑翼频率，也可以让RoboBee在水里进行游行。
所以，在给RoboBee进行相应的防电处理后，将机器人放入水中以计算得来的大约5Hz的扑翼频率进行试验。但通过试验观察发现5Hz扑翼频率产生的升力并不足以让RoboBee起飞，而且系统并不稳定。
有意思的是，当把扑翼频率提高到11Hz时，发现机器人变成了一个被动稳定的系统。这与机器人在空气中的运动并不相同，因为RoboBee在空气中飞行时是一个主动不稳定系统，需要图像追踪、控制算法才能让RoboBee稳定飞行。
至于为什么会出现这样两种不同的结果，研究发现，RoboBee在水中低频运动时自身的抖动非常大，这个抖动造成机器人本身的不稳定；而在高频情况下，由于水的阻力对机身的影响，机器人便会变得被动稳定。
也就是说，在空气中时空气对机身的阻力非常小，但是在水中时，尽管它对机器人的扑翼效应与在空气中非常相似，但它对机身的效应非常大，所以它可以帮助机器人达到一个稳定的效果。对此，哈佛大学也建立了相应的力学模型，来解释为什么RoboBee在水中能达到被动稳定的效果。
值得一提的是，在发现RoboBee能够在水中达到被动稳定后，哈佛大学的研究人员还通过给机器人加上特别大的帆来给RoboBee提供阻力，同样实现了它在空气中的被动稳定。
所以，经过一系列的研究与实验，哈佛大学微型机器人实验室在2015年第一个实现了自重只有80mg的微型机器人可以在空气中飞行、穿梭入水里、再在水中游行的功能。但在完成这些工作的同时，也出现的新的需要解决的问题：1、从空气到水的穿梭过程并不是很好看，而且成功率并不是百分之百，很多时候机器人会卡在水面上下不去。2、尽管机器人可以很好的在水中游行，但它一旦入水就再也没有办法返回到空气中。
微型机器人RoboBee之所以会面临这样的困境，就是因为对大型机器人根本不值一提的表面张力，对于自重与升力不高的它们便成为难以逾越的鸿沟。仔细分析表面张力对RoboBee的影响，它其实存在两个问题：1、表面张力会造成一个力矩，会让机器人变得很不稳定，机器人便没有办法保持一个稳定的姿态。2、把机器人放到力传感器上，发现它出水时要克服的表面张力是其自重的12倍、最大升力的4倍，这就说明，机器人仅仅依靠自己的翅膀是没有办法返回到空气中的。
面对这些问题，陈宇峰博士提出了相应的解决办法，可以为RoboBee加装一些装置来稳定它在水面的状态，并想办法提供一种瞬时的升力来帮助RoboBee冲破仅存在于水面的表面张力。
因而他们设计了相应的思路：第一步，通过电解水产生氢气和氧气，并收集这些气体，利用气体产生的升力将机器人的翅膀等比较脆弱的部分缓慢的推出水面；第二步点燃氢氧混合气，通过微型的爆炸让机器人从水面起飞。
根据这些思路，陈宇峰博士设计了新型的水陆两栖的微型机器人，与旧款的RoboBee相比，它首先改变了翅膀的形状，缩小了面积提高了扑翼频率，这样也提高了扑翼时产生的升力；其次为RoboBee增加了四个浮力装置，这样利用水的表面张力保证了机器人在水表面时能保持一个向上的姿态；最后给RoboBee增加了一个收集气体的气室同时相当于爆破室。
RoboBee的气室上层为钛合金材料，以抵御爆破时产生的压力，四周为碳纤维材料。气室的中间位置放置了它的核心部件：一块平面的金属板。在5V左右的低压时，金属板上的电极开始电解水，转化成氢气和氧气，混合气储存在气室中并将水分排出。气体收集满时，将电压提升到200V，此时电极上方的铜片便可以点燃氢氧混合气，产生瞬时爆炸。
完成着一系列的工作之后，新型的RoboBee便能在2‰秒的时间内产生高达5N的推力，将机器人推出水面。这个巨大的推力使RoboBee的起跳高度能达到37cm，整个起跳到落地的耗时为0.55s。
另外，由于刚刚出水时的机器人身上有很多水，这些水分加大了机器人的重量，使得它无法继续飞行，所以将RoboBee设计为被动稳定，出水之后RoboBee可以保持一个向上的姿态被动平稳的落到地面，待机器人身上的水分都干掉时，机器人才可以重新飞行。
因而，通过一系列的研究，哈佛大学微型机器人实验室设计出了世界上最小的水空两栖机器人，Science在报道时指出，这款机器人比现有同种功能的机器人小至少1000倍以上。
四足水陆两栖机器人
在讲四足机器人之前，先讨论一下水的表面张力对机器人的影响。之前介绍的RoboBee为一个160mg的机器人，它需要克服比自身重量大12倍的表面张力，所以在研究微型机器人时，要想很多瞬时爆发的力才能使机器人成功抵抗表面张力。
但当画面转移到不同尺度的人类，人的自重是表面张力的1000倍以上，所以我们在游泳时，很难感受到水的表面张力对我们自身的影响。
而在RoboBee与人的中间尺度，比如在1g左右的HAMR机器人身上，它的表面张力与自重是非常相似的。如果这两个力非常相似，我们便可以利用这个力来实现一些功能。
在此基础上陈宇峰博士提出了相应的问题：1、我们如何在一定程度上控制表面张力的大小；2、如果能控制表面张力的大小，那么爬行机器人HAMR能够做到哪些新的功能？
根据这些问题，哈佛大学微型机器人实验室提出另一个项目，让HAMR能够在陆地上爬行、在水的表面游行、顺利沉入水底、在水底爬行、成功从水底爬到陆地。
在这个项目中，面临着三个挑战：1、如何让机器人成功的浮在表面同时又能在需要的时候可控的进入水底；2、利用一套发动装置实现在不同环境中的运动；3、如何克服表面张力。
首先，应对这些问题，哈佛大学微型机器人实验室设计出了新型的HAMR机器人，和原先的HAMR相比，机器人加上了四个脚垫以及足底的翼筋。
机器人的脚垫可以为机器人在水的表面提供两种升力，一个是水的表面张力（与脚垫的周长成正比）另一个为脚垫产生的浮力（与脚垫的面积成正比）。在这种新型的设计中，表面张力占整个向上力的25%，浮力占75%。
这样设计有利于让机器人可控的进入水中，利用电润湿现象，通过加电压改变水和脚垫的接触角。在给脚垫竖直表面加上电压时，脚垫竖直部分与水面的接触角便会减小，进而减小了向上的表面张力；在给脚垫的平面部分加上相应的电压，相应的浮力也会减小，这是因为水最高的高度也和相应的接触角相关。总之，在增加脚垫的电压时，浮力和表面张力都会相应变小，此时机器人便可以自动的沉入水底。
为了验证理论上的分析，设计了相应的实验装置，将脚垫放在力传感器上，通过给脚垫加不同的电压，测量其最大的向上的力。并验证了从0~600V时向上力的变化从而证实了理论分析的正确性。
第二个问题是如何让机器人在水的表面运动，如果让机器人以在陆地上爬行的方式在水的表面运动，效率是非常低的。因为HAMR陆地上的前后运动是对称的，其雷诺数很低，这样的步态放到水里能提供的推力非常小，所以必须研究一种新的步态，才能让HAMR有效的在水的表面游行。
这方面有一个很好的仿生对象——龙虱，80年代时，很多生物学家研究过龙虱是怎样在水里游行的。它们利用后腿的不对称运动，向下推时后腿全部展开，前进时后腿收回以降低前进时的阻力这样龙虱便可以在水中通过游泳前行。
以龙虱为灵感，设计了一个相似的机构——翼襟。在向后运动时被动翼襟完全打开以产生推力，而在复位的过程中，襟翼收回以减小阻力。具体做法就是，被动襟翼这种推进方式借助了水和被动襟翼的耦合现象，在没有主动发动装置的情况下实现了模仿龙虱的步态。
利用新设计的步态，HAMR在水面可以达到2.5cm/s的速度，扑翼频率大约是5Hz。另外机器人还可以在水中耗时10s时间旋转一周。
解决完以上问题，HAMR出水时同样遇到了非常大的问题。HAMR在出水时会遇到非常大的水的表面张力的影响，它会阻止机器人从水底返回陆地。通过改变机器人的刚性和在它的前脚加一些装置来提高摩擦力，最后实现了机器人从6.5°的斜坡爬出水面。其出水耗能大约是在水底耗能的3.5倍，所以出水的过程依然相当困难。
最后，哈佛大学微型机器人实验室做出了世界上第一款水面、水底与陆地自由穿梭的微型机器人。
关于未来
虽然哈佛大学解决了很多微型机器人的问题，也在不断的研发过程中使其具备了大型机器人无法达到的功能，但关于未来，对于微型机器人还有很多实际的工作需要攻克。
比如是否有更新的柔性发动装置、有没有更好的制造技术、能否让飞行机器人负载自己的能源和控制电路、能否放置更多的传感器、未来机器人怎样协同的完成复杂的项目。
关于微型机器人未来5~10年的愿景，希望未来大量的微型机器人以集群的形式协同作战时，前景不可限量。就像下面这个场景，大量RoboBee代替蜜蜂的工作，完成人工授粉……