清华大学开发“小强”机器人,壮汉挡不住

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提到蟑螂,什么都有有同学都深恶痛绝。

你这一 身型小巧的虫子不仅跑得快、繁殖能力强,只是超级抗打抗压,在所有的环境下都能顽强地生存下去。

12mm高的蟑螂还可不能否 躲进4mm的缝隙

也难怪周星驰在个人的电影里,把蟑螂称为“打不死的小强”。

但想象一下,可能你拥有一支跑的又快、伸缩自如的蟑螂大军,征服宇宙或许完全完全都是再是梦想!

近日,清华大学和加州大学伯克利分校的研究人员就研制了一款像极了“小强”的新型软体机器人,不仅运动速率放慢,只是真的像一只打不死的小强一样,比大伙前一天见过的任何机器人都更加“抗造”。

从外形上看,你这一 机器人就像一张弯曲的纸条。只是它能以每秒20个身长的速率移动。

更值得一提的是,在被有八个 重近50kg的成年人踩到后,这只机器人依然还可不能否 继续运动。

此外,这只机器人还能爬上坡度为15度的陡坡,以及扛着自身重量6倍的花生稳定前进。

你这一 研究日前也登上了最新的 Science Robotics(科学机器人)杂志。

论文的通讯作者是清华国家智能技术实验室副教授张敏,同時 也是清华大学天工智能计算研究中心的成员。团队或多或少成员来自北京航空航天大学和加州大学伯克利分校,可谓是强强联手、精英荟萃。

附上论文链接:

https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax1594

解剖“小强”,更高的速率和强大的抗压能力

这款“蟑螂“机器人什么什么都没办法 3x1.5厘米,不需要 用扫描电子显微镜不需要 看过机器人是什么形态。

在显微镜下,还可不能否 看过这款机器人包括有八个 18微米厚的聚偏氟乙烯层,有八个 50纳米厚的钯(Pd) /金(Au)电极(聚偏氟乙烯膜的顶部和底部),有八个 25微米厚的粘合性硅树脂,和有八个 25微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板。

而这款机器人运动的妙招 就更加奇特了。利用交流电压(低至8伏,但通常约为50伏)穿过电极时热塑性塑料的伸展和收缩,从而使机器人向后弯曲只是“小步幅”的走动,完全的有八个 步进周期仅需50毫秒。

机器人的“运行”还有有八个 短暂的"腾空"阶段。

来自高速摄像机的照片显示机器人的步态(A到D),它收缩并伸展其身体

而在稳定可靠方面,相比蟑螂还可不能否 承受900倍于自身体重的负荷而不受伤害,这款软体机器人还可不能否 在被有八个 成年人(59.5公斤)踩上前一天,继续工作(什么什么都没办法 原本速率的一半),你这一 负载大约是它自身体重的50万倍!

研究人员对原本的表现还完全完全都是很满意,于是准备再给“小强”加两根绳子 腿。

两条腿的“小强”还可不能否 模拟飞驰式的步态,就像猎豹一样还可不能否 拱起背部以增加步长和利用储存的弹性能量。

利用了你这一 更有效的飞驰式步态机制,两足机器人在这类于驱动条件下的跑步速率是单足机器人的3倍。根据高速摄像机拍摄的步态,双腿机器人的空中占空比(75%)比单足机器人(51%)提高了24%,从而提高了运行速率。

与动物这类于,质量越大相对速率越慢

无论是对于哺乳动物还是昆虫而言,大伙的直观感受完全完全都是体重越大,跑的越慢,这里跑的慢是指每秒行进的自身体长数更少,事实也是什么什么都没办法 。

图中显示了或多或少哺乳动物(紫色区域)、节肢动物(粉色区域)相对于体重的运行速率,紫色区域和粉色区域,体重与相对运动速率呈负相关,即相对于哺乳动物和节肢动物,随着体重的增加,相对速率会降低。

而对于软机器人而言(湖蓝色区域)你这一 关系似乎正好相反:随着体重的增加,相对速率会逐渐提高,而随着体重的减少,速率会降低,这主只是可能机器人不需要 一定质量的零部件来支持运动。

而由清华大学和加州大学伯克利分校研制的这款小型软机器人,the scaling law(速率相对于体重的变化定律)则与哺乳动物达到了一致:随着体重的减少,相对速率越大(图中红星所示)。

这主只是可能这款机器人的相对运行速率与共振频率呈正相关,什么都有有在更高的共振频率下运行可获得更高的相对运行速率,什么都有有形态简单,无冗余耗能部件的“小强”,工作速率更高。

尽管或多或少由磁场、湿度、热源或光源驱动的软机器人还可不能否 拥有快速的瞬时速率,只是反应缓慢以及不需要 内部管理电源等庞大设备,以及磁场,都限制了它们的速率。

再仔细观察上方的图表,会发现有八个 很有意思的事情,数字39就在那张图表上(左上角),这是1916年在加利福尼亚州的一块岩石收集现的三种微小的螨虫。螨虫的大小什么什么都没办法 1毫米,但它还可不能否 以每小时0.8公里的速率运行,即每秒32有八个 身体长度,使它成为地球上相对于大象最快的陆地动物(大约两倍)。

想象一下,可能大伙人类拥有相同的速率体重比,大伙将以每小时超过2,000公里的速率运动,成为新一代的"超人",但这终归只针对昆虫,左上角的几乎所有东西完全完全都是昆虫,质量减小运动反而更加有利。

或多或少小型机器人

最近几年,对于小型机器人的研究不多 了。

比如,来自UMD的磁力驱动的四足机器人,腿部由内部管理磁场控制,内部管理磁场作用于嵌入机器人臀部的微小立方体磁铁。磁场的变化影响着磁铁的变化,使得这款机器人能以高达50赫兹的速率驱动支腿。

通过将同方向的磁铁安装进去去臀部就还可不能否 实现有八个 步态,假使 稍稍改变磁铁方向,即可实现步态的变化。

UMD磁力驱动四足机器人与蚂蚁对比

相关链接:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/four-legged-walking-robot-is-smaller-than-an-ants-face

还有加州大学伯克利分校的X2-VelociRoACH,它仅重54克,但X2-VelociRoACH以每秒4.9米(17.6公里/小时,或11英里/小时)的速率可持续运行,是迄今为止最快的腿式机器人,一眨眼功夫就会看不见踪影。通过将其步幅频率推向极值,研究人员探索并实现了有腿机器人能达到的最大速率。

有腿的动物有三种不同的增速妙招 :要么增加它们的步幅频率(迈得放慢),要么增加它们的步幅(迈得更远)

相关链接:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/icra-2015-x2velociroach-smashes-speed-record-for-tiny-legged-robots

为什么在么在软体机器人备受青睐?

这款“小强”软体机器人构造简单、成本低、灵活自如,还不需要 利用其独特的设计和构造来移动并与环境交互。同時 ,可能什么什么都没办法 刚性部件的限制,还可不能否 承受或多或少类型机器人无法承受的“摧残”,非常耐用。

原本的软体机器人速率又快,又能载重,稳定性还好,潜在的应用场景也相当广泛。

比如,瑞士的联邦理工学院(EPFL)开发了三种具有敏感抓地力的机器人,它还可不能否 灵活地抓起一只鸡蛋,可能拿起一张纸,也还可不能否 举起比自身重8倍的重物。你这一 机器的手指完全完全都是由硅胶制成,其中嵌入了三种不这类于型的电极:三种不需要 弯曲手指以适应物体形态;另三种使手指用电粘附物体,这和气球经过头发摩擦还可不能否 黏在墙上的原理相同。

早在2016年,加利福尼亚大学伯克利分校的科学家就曾模仿蟑螂研发过软体机器人Roboroach,它不需要 压缩自身使身体变得平坦,缩到什么什么都没办法 正常深度的四分之一。你这一 带传感器的扁平机器人尚在研发,有望在倒塌的建筑物瓦砾中进行工作。

相较于笨重的传统机器人,软体机器人在防止精细动作方面大有优势。比如,模仿章鱼触手制成的软体机器人还可不能否 用于外科手术。事实上,大多数软体机器人模仿的是无脊椎动物和昆虫,可能有机硅和或多或少可弯曲材料的进步,什么机器人还可不能否 使用、展开、扭曲触手,只是不需要 不必同深度抓取物品,从而更好地适应环境。