承载22倍于自身重量前行，垂直跳跃59厘米，用爆炸驱动的昆虫机器人来了

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2023-09-15 05:09

机器之心报道

编辑：陈萍、小舟

小小机器人能量大爆发，身体如昆虫一般大小，却可以携带 22 倍于自身重量的物品，爬行、跳跃都不是问题。

高于自身几倍的跳台，机器人一下子就跳上去了：

更高的高度也是可以的：

负重物前行：

这款机器人由来自康奈尔大学的研究者研发，该机器人长 29 毫米，重量仅为 1.6 克，可以垂直跳跃 59 厘米，并且可以携带 22 倍（36 克）于自身重量的物品行走。相关论文《Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots》发表在 Science 上。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067

该研究利用内燃机解决了驱动小型机器人的问题。他们将甲烷蒸气和氧气注入燃烧室，再用微小火花点燃混合物。

不到半毫秒，腔室顶部像活塞一样向上膨胀，每秒重复一百次的循环产生 9.5 牛顿的力。机器人的每条腿有两个执行器驱动，这样就得到了一个异常强大的软体四足机器人。

为该机器人每条腿提供动力的是两个执行器，重量仅为 325 毫克，大约是一美分硬币大小的四分之一。它们之所以如此小型，部分原因是大多数相关部件都在机外，包括燃料本身、混合和输送燃料的系统以及火花发生器的电源。

该研究的项目负责人、康奈尔大学材料工程师 Robert Shepherd 表示：「执行器看起来就像一个鼓，它是一个空心圆柱体，顶部有弹性硅橡胶。为了驱动执行器足以使机器人跳跃或爬行，我们将甲烷和氧气流注入到每只足中，并通过电池产生的电力产生火花。气体之间发生反应形成水和二氧化碳，以小爆炸的形式释放能量，导致橡胶层变形，就像活塞一样。」

Robert Shepherd 还表示：「微小的爆炸发生得如此之快，以至于没有火焰来燃烧或损坏橡胶。但它们提供了相当大的推进力：机器人可以跳到 56 厘米高，并能承载 22 倍于自身重量的负载。」

方法‍介绍‍

该昆虫机器人最大的特点就是执行器需要处理实际的爆炸。这是一个很大的挑战，需要确保机器人在每次爆炸时不会自行燃烧。

执行器及其组件材料如下图 (A) 所示，燃烧执行循环如下图 (B) 所示。该执行器非常耐用，研究团队估计它可以连续运行超过 750000 个循环周期（50Hz 下 8.5 小时），而不会出现任何性能下降。

执行器的性能主要受两个因素影响：一个是驱动频率 f，一个是燃料 - 氧化剂浓度 φ，φ 可以用如下公式描述：

下图描述了执行器的性能与驱动频率和燃料 - 氧化剂浓度的关系：

为了深入研究机器人的运动机制，该研究构建了一个简化的系统模型，其中考虑了几个关键因素，包括硅橡胶膜（执行器膜）的弹性、电池内的燃料流动、燃料释放的能量、压力和温度。使用这个模型，研究团队可以预测执行器膜的位移值、执行器的阻挡力（blocked force）、机器人的跳跃高度，以及作为驱动函数的排气流率（exhaust flow rate）。

为了证明微型执行器在驱动昆虫级装置方面的有效性，该研究设计并制造的由燃烧驱动的四足机器人如图 3 (A) 所示。每个燃烧室都是独立的，分别用来驱动前脚和后脚（图 3 (B)）。点火是通过火花来实现的，并导致腔室两端的弹性体膜膨胀（图 3 (C)(D)）。图 3 (E) 显示了机器人的腿和足的理想示意图，并使用它来建模跳跃动力学。图 3 (F) 建立了一系列驱动频率下机器人跳跃高度的等效比函数模型。