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史上最小、速度最快机器人!哈佛出品的 2 厘米「四足小强」来了

2020-06-20 14:22 · 稿源:雷锋网
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仿生机器人越来越成为机器人领域的一个研究热点了。

2013 年,哈佛大学微型机器人实验室研究人员仿照“小强”打造了一款看上去有点瘆人的四足微型机器人 HAMR,其重约 3g、长约 5 厘米,体积与现实生活中的蟑螂相似。

四足“小强”移动的画面放慢 20 倍就是这样的。

史上最小、速度最快机器人!哈佛出品的 2 厘米「四足小强」来了

近日,在机器人领域顶会 ICRA 2020(IEEE International Conference on Robotics and Automation,国际机器人与自动化会议)上,研究团队介绍了更为迷你的升级版 HAMR-Jr,其重量仅为 HAMR 的十分之一,还没有现实中一只蟑螂的腿高,是当前最小、速度最快的昆虫仿生机器人之一。

史上最小、速度最快机器人!哈佛出品的 2 厘米「四足小强」来了

前所未有的「四足小强」

实际上,HAMR 是 Harvard Ambulatory MicroRobot(哈佛移动微型机器人)的缩写,这款机器人灵活、体积小的特点通过其名字便可略知一二。

在 2013 年推出 HAMR 之后的几年,研究团队曾不断基于 HAMR 尝试技术突破。

比如,2018 年研究团队设计了会踩电门的“小强” HAMR-E。简单来讲,HAMR 能够自己深入自己体内,检查部件工作是否正常。不过,当时的 HAMR-E 质量、体积与 HAMR 差距不大,有点像是功能优化。

史上最小、速度最快机器人!哈佛出品的 2 厘米「四足小强」来了

而 ICRA 2020 上公布的 HAMR-Jr 相比此前的更新,可以说是前所未有。

那么我们来看看 HAMR-Jr 的相关参数。

史上最小、速度最快机器人!哈佛出品的 2 厘米「四足小强」来了

根据上面的动图就能发现,HAMR-Jr 依然沿袭了四足设计,在外形上与 HAMR 差距不大。

不过,HAMR-Jr 最大的变化就在于体积:重 320 毫克,长 2.25 厘米。HAMR-Jr 可谓是小而灵活,能小跑、前屈、跳跃、搬运重物,还能像螃蟹一样横着走。

HAMR-Jr 独立驱动自由度为 8。另外,通过压电致动器的驱动,HAMR-Jr 可以以每秒 14 个身长(30 厘米)的速度移动,平均步频和最佳共振点为 200 Hz,最高近 300Hz。

值得一提的是,由于受到运动神经冲动和肌肉纤维激活的生物极限的制约,自然界中昆虫步频最快也无法达到 200Hz。这一点正如论文合著者之一、科罗拉多大学博尔德分校 Kaushik Jayaram 所说:

HAMR-Jr 的步频可以超过 200 Hz,这在陆地生物系统中是前所未有的,而且这种高步频下的运动动力学研究也是前所未有的。

另外,HAMR-Jr 还有一项指标值得关注——在有效载荷达到其自身质量(320 毫克,比如电池和一些传感器)的情况下,其性能变化不大。

不过,这里也有一定的改进空间。

雷锋网了解到,一些探索性试验表明,HAMR-Jr 的有效载荷至少达 3.5 克。

再来看看 HAMR-Jr 的制造过程。

通过印刷电路微电子机械系统(PC-MEMS)制造工艺,机器人零部件被蚀刻成 2D 片,再通过灵活的铰链进行连接,形成 3D 结构。通过缩小 2D 蚀刻片、致动器和板载电路,在功能不变的前提下,机器人的体积得以缩小。

能上太空,也能探索地下

据悉,这一研究得到了 DARPA(美国国防高级研究计划局)的支持,与此同时,另一项仿生微型机器人研究项目更是获得了美国国防部 53.8 万美元的资助。

这一项目名为“人类自动化、信任和依赖研究的群体合作平台”(Human Swing Teaming Team Platform for Research in Human in Human Automation Trust and Reliance)由加州州立大学北岭分校机械工程教授 Nhut Ho 领衔。

实际上,这一项目的合作成员也都实力不凡,可以说是强强联合——NASA 喷气推进实验室、拥有网红机器人的波士顿动力公司、英特尔、加拿大机器人公司 Clearpath Robotics、德国机器人公司 Telerob、位于硅谷的激光雷达公司 Velodyne 和位于洛杉矶的军用级战术 MIMO 无线通信开发商 Silvus Technologies。

虽然项目还在进行当中,具体成果尚未可知。但在加州州立大学北岭分校的网站上,Nhut Ho 公开了其想法,将仿造昆虫制造机器人:

我们从蚂蚁和蜜蜂身上得到了启发,它们能自我组织。应对不同任务,它们会采取最佳的解决方案进行团队合作,即使出现了团队成员失败的情况,任务依然可以完成。

雷锋网(公众号:雷锋网)注意到,Nhut Ho 还有一个头衔:NASA 旗下的 STEAMH 自主技术研究中心创始主任。STEAMH 一词由科学、技术、创业、艺术、数学和人文学术几个英文单词的首字母组成,这也代表着该研究中心的跨学科研究方向。

正因如此,这一项目旨在研发的机器人不仅将关注诸如搜索救援、采矿或一些极端环境中的陆地应用,也将用于 NASA 的行星探索。

对此,Nhut Ho 表示:

要探索火星表面和空洞,一群微型机器人将比大型机器人单枪匹马地完成任务更为有效。

与此同时,由于项目合作伙伴之一 NASA 喷气推进实验室的一个团队曾在 DARPA“地下挑战赛”中获得过第一名,在自动快速地绘制、导航和搜索地下环境方面有很好的基础,因此这一项目最终设计的机器人也将会在地下场景中有所应用。

而上文提到的 HAMR-Jr 其实也有相似的用途,正如 Kaushik Jayaram 在接受 IEEE 采访时所说:

我希望看到像 HAMR-Jr 这样的微型机器人产生积极的社会影响,我设想的途径主要有四个:搜索救援、高价值资产检查、环境监控以及药物方面的辅助。

由此可见,一方面,研究人员在微型仿生机器人领域不断探索、追求极致;另一方面,机器人的实际应用场景也不断被拓宽。

未来微型仿生机器人如何进一步发展,雷锋网也将持续关注。

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