電子科大研制出“電子蟑螂”機器人

近日，電子科技大學機械與電氣工程學院研究團隊在《自然—通訊》上發表研究論文，報道了一款新型具備高機動性與強穩健性的“電子蟑螂”軟體微型機器人。

得名“蟑螂”，是因為其特性。這款機器人個頭小，重約1克、長約2厘米，可容身并行動于狹小空間。而且它跑得快，行走直線速度可達9.6cm/s，一秒內可實現原地轉彎280°。它還特別靈活，就算從高處跌落被迫“翻了個身”，也能繼續爬行。

更有趣的是，這款機器人擁有著“小強”般的生命力，就算受到120斤的外力，依舊毫發無損。

未來的某天，這只“小強”也許就會現身災害救援、管道巡檢的現場，在人去不到或肉眼難以觀察的角落，輔助巡視、偵察等工作。

“小強”為何踩不死？柔性結構和材料“護身”

從外形上看，“電子蟑螂”機器人更像一張四方桌。

“桌面”似綠色的方片，實則是由柔性壓電材料制成的驅動器，相當于“蟑螂”的“人工肌肉”，調控著它的行動軌跡。

與“人工肌肉”平行的下方框架上，分布著電池、控制電路、傳感器等部件，憑借直徑只有頭發絲四分之一的細線和“人工肌肉”相連。操作人員通過手機藍牙發送信號至電路板，就能遠程給機器人下達行動指令。

電子科技大學副教授吳一川向《中國科學報》記者展示了一個實驗視頻。視頻中，用直尺壓、或用腳踩“電子蟑螂”后，它都能保持良好的運行狀態，無明顯變形。而且用腳踩時，腳下的體重器顯示，重量已達120斤。

“‘電子蟑螂’擁有者‘小強’一樣的生命力，能夠承載相當于自身重量900倍的壓力。”吳一川說道。

而“踩不死”的原因在于，其擁有良好的韌性和抗沖擊性能。

“首先機器人選取的制作材料是柔性的，包括機器人的‘腿’，以及集成原件所選取的都是耐用，且不易變形的材料。”吳一川解釋，機器人結構的也相當于一副柔性外骨骼，使其擁有較強的穩健性。受到外力時，可以迅速折疊，保護重要部件不受損，又能在外力解除后迅速恢復。

不僅如此，作為一種昆蟲仿生微型機器人，“電子蟑螂”還克服了普通昆蟲運動“短板”。

“我們常在戶外看到，昆蟲一旦被翻倒，基本動彈不得，看著像死了，其實還活著，想要靠自己翻身得費好大的勁兒。”吳一川表示，“電子蟑螂”就沒有這種煩惱，即使“四腳朝天”，其“人工肌肉”仍能精準控制運動軌跡，來去自如。

一片“人工肌肉”的作用

在演示視頻中，“電子蟑螂”能夠在平面上靈活完成前進、后退、轉彎等一系列動作。支撐其復雜運動軌跡的，僅是單獨一片薄薄的“人工肌肉”。這背后的設計原理，正是這款機器人的核心技術難題。

這一設計靈感，來源于團隊一次偶然的發現。當時他們正在做機器人運動實驗，突然注意到重量較輕的機器人，會隨著身上部件振動頻率的不同，作出超出設計預想的爬行方向，例如突然前進、后退或轉彎。

“是不是可以利用振動頻率，來精確調控機器人的行動軌跡呢？”團隊成員腦海中，跳出了新的想法。

吳一川舉例，打火機的打火石，正是靠摩擦產生火花，原理是機械能轉化成了電能，并引燃燃料。而團隊的設計思路，就是在驅動器上完成電能向機械能的轉化，使得機器人基于不同的振動頻率完成不同的動作。

所以他們先選擇了合適的材料，做成一小片“人工肌肉”，對其施加不同電壓頻率，發生彎曲后帶動四條腿“同頻共振”。

但一開始都是團隊的設想和推測。團隊負責人、電子科技大學教授彭倍介紹，反復驗證過程中，團隊利用每秒鐘能拍攝4000張照片的高速攝像機，捕捉了搭載“人工肌肉”的機器人在不同頻率振動下的運動情況。

團隊發現，不同頻率下機器人腿部呈現出多振動模態，其軌跡會在直線、橢圓甚至圓形之間相互切換，相應地腿部與平面形成的夾角亦有不同，而且到了一定程度軌跡還會發生順、逆時針的變化。四條腿的行動組合起來，就會使機器人作出前進、后退、轉彎等不同的運動軌跡。

“多振動模態的現象，其實在生活中也很常見。”吳一川解釋道，例如兩人各自牽住繩子兩端輕輕甩動時，繩子可能呈現出一個平滑的弧形，這是最低階模態。而當甩動速度加快、頻率變化，繩子會產生多個波峰波谷，即出現更高階的振動模態。這種從簡單到復雜的振動形態變化，正是多模態的直觀體現。

有了實驗結果的支撐，團隊便開始梳理現象背后的規律，并反推出了計算公式，以更好地操控機器人腿部運動軌跡。

“小強”也有飛天夢

從頻率影響運動軌跡的現象發現，到相關理論提出，再到實驗驗證得出計算公式，團隊共花費了兩年多的時間。

但這也促使“電子蟑螂”機器人完成了“質的飛躍”。其實在2019年，還在攻讀博士的吳一川就研制出了第一代“電子蟑螂”，但當時機器人設計比較簡單，只能在平面直線跑動，卻無法轉彎。而且控制元件沒有集成，必須外接電路和電池。

到了2021年，吳一川與師弟梁家銘一起研發的第二代“電子蟑螂”解決了集成和轉彎問題，但運動速度較慢，且身上帶了三個執行器，控制方式比較復雜。

“現在，它成長到了第三代，行走直線速度可達9.6cm/s，一秒內最快可以轉彎280°。”研究團隊負責人彭倍教授強調，該“電子蟑螂”區別于其他同類型微型機器人的最大優勢，就是僅靠調節單個驅動器的頻率，便實現了靈活控制腿部末端運動軌跡的形狀、方向與傾斜角度。

對于大型機器人而言，通常會依賴多個驅動器來控制其動作，就好比人類實現復雜的肢體運動，離不開多個關節的協調運作。

但設計制作微型機器人，對重量與尺寸的把控就極為關鍵。“我們要以更輕的重量，更小的尺寸，更高的集成度來實現復雜的行動控制，因此要盡可能減少驅動器的數量。”彭倍教授表示。

總之，該研究提出的是首個在厘米尺度下實現系統集成、可無線操控并能承受強烈沖擊的微型機器人平臺。

此外，這只“電子蟑螂”還可同時適應水陸運動的“兩棲”機器人。當它處于水中時，四條腿就變成了“船槳”，受水的阻力運動變緩，但基于不同的頻率依舊能展開水面可控滑行。

“電子蟑螂”憑借其獨特性能，在災害搜救、管道檢測、密閉狹小空間作業等應用場景中展現出廣闊的應用潛力。然而，其真正走向實用化，還需攻克若干關鍵技術難題。

“首要挑戰在于解決電池續航，”吳一川指出，“當前搭載的鋰電池僅能維持約20分鐘的運行時間，這極大地限制了其實際作業能力。”

自然界中，除了爬行，昆蟲還具備著跳躍甚至飛行的能力。吳一川期望“電子蟑螂”未來也能集成更多的仿生運動模態，如跳躍或短距飛行，以提升其復雜環境適應性，擴大任務執行的范圍。