喝“假酒”干重活:华科校友88毫克机器人登上封面


机器之心报道


编辑:杜伟、小舟、蛋酱


仅靠甲醇续命,却能拖运自身重量 2.6 倍的物体,南加州大学研究员、华科校友杨秀峰以一作身份发表的这篇研究,刚刚登上了 Science 机器人子刊封面。

机器人通常使用电池或插座供电,但一款名为「RoBeetle」的机器人却有点不同。这种和昆虫一般大小的微型机器人,重量不足 1 克,却能拖运自身重量 2.6 倍的物体。最特别的是,它是依靠甲醇来供能的。


甲醇是一种常见于溶剂和防冻剂中的有机化合物(假酒伤人的成分之一)。像甲醇这样的液体燃料,每单位体积所提供的能量会比电池更多,这就意味着甲醇驱动的微型机器人不再需要附加外部电源,比如电线、电磁场。从理论上讲,这种机器人比电力驱动的同类拥有更多的自主权,同时又能保持很小的尺寸。


在最新一期的《Science》机器人子刊中,来自南加州大学的研究者向公众介绍了这款名为「RoBeetle」的机器人。他们设计了可以像真实物体一般收缩和放松的微型人造肌肉,并且使用覆盖有铂粉的镍钛合金线加快甲醇蒸汽的燃烧。这一过程产生的热量会导致机器人腿部的电线缩短,待冷却后重新伸展,以此驱动 RoBeetle 的运动。

RoBeetle 重量仅有 88 毫克,能够拖运自身重量 2.6 倍的物体。它可以额外携带 95 毫克的燃料,续航时间长达 2 个小时。RoBeetle 拥有爬坡技能,并且可以在不同纹理的表面行进,包括玻璃、泡沫睡垫、混凝土人行道。


在未来的研究中,研究者需要进一步探索如何实现机器人的燃料添加功能,从而在更长的时间内持续供能。此外,如果能够对 RoBeetle 进行编程并实现与操作者通信,那么这款机器人还能用于人工授粉或协助手术等更多场景。

论文链接:https://robotics.sciencemag.org/content/5/45/eaba0015


RoBeetle 技术详解


用于微型机器人驱动的催化人造肌肉


为了创建能够驱动昆虫大小爬虫机器人的 2H 微致动器,研究者将燃料的 HEDs(下图 1A)和 SMAs 的 HWDs(下图 1B)结合起来。

图 1:实现微致动的能量源和致动方法。


致动机制的核心组件是下图 2A 中的人造肌肉,它包含一个镍钛合金核(NiTi core)和一个凝集铂(Pt)粉的外催化层。在操作过程中,复合线材(composite wire)的 SMA 核心被催化表面上燃料的可控催化燃烧所产生的热量激活。


下图 2C 至 2E 为 NiTi-Pt 复合线材表面的扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)图像,它们是通过在《Materials and Methods》以及下图 S1 中描述的方法生成的。


下图 2F 展示了确定的主回路和两个副回路,其中应力为 164MPa,并与驱动 RoBeetle 原型的 9.8mm 长 NiTi-Pt 线连接。主回路指的是加热冷却回路,在这个过程中,SMA 材料完成了从马氏体状态(martensitic state)到奥氏体状态(austenitic state)的完全相变,然后又完全地回归马氏体状态。

图 2:催化人造肌肉。

图 S1:NiTi-Pt 复合线材的制作过程。


设计原理 Design of RoBeetle


为了验证 2H NiTi-Pt 致动器的性能,研究者创建了自动 RoBeetle 的原型,具体如下图 3A 所示。RoBeetle 通过基于可变摩擦的运动方式来实现爬行。但是,本研究提出的致动方法可以赋能一系列微型机器人平台,进而实现机器人的行走、跳跃、游泳