史上最小!哈佛出品的2厘米「四足小強」來了

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摘要

  仿生機器人越來越成為機器人領域的一個研究熱點了。  2013 年,哈佛大學微型機器人實驗室研究人員仿照「小強」打造了一款看上去有點瘮人的四足微型機器人 HAMR,其重約 3g、長約 5 厘米,體積與現實生活中的蟑螂相似。

仿生機器人越來越成為機器人領域的一個研究熱點了。

2013 年,哈佛大學微型機器人實驗室研究人員仿照「小強」打造了一款看上去有點瘮人的四足微型機器人 HAMR,其重約 3g、長約 5 厘米,體積與現實生活中的蟑螂相似。

四足「小強」移動的畫面放慢 20 倍就是這樣的。

史上最小!哈佛出品的2厘米「四足小強」來了

近日,在機器人領域頂會 ICRA 2020(IEEE International Conference on Robotics and Automation,國際機器人與自動化會議)上,研究團隊介紹了更為迷你的升級版 HAMR-Jr,其重量僅為 HAMR 的十分之一,還沒有現實中一隻蟑螂的腿高,是當前最小、速度最快的昆蟲仿生機器人之一。

史上最小!哈佛出品的2厘米「四足小強」來了

前所未有的『四足小強』

實際上,HAMR 是 Harvard Ambulatory MicroRobot(哈佛移動微型機器人)的縮寫,這款機器人靈活、體積小的特點通過其名字便可略知一二。

在 2013 年推出 HAMR 之後的幾年,研究團隊曾不斷基於 HAMR 嘗試技術突破。

比如,2018 年研究團隊設計了會踩電門的「小強」 HAMR-E。簡單來講,HAMR 能夠自己深入自己體內,檢查部件工作是否正常。不過,當時的 HAMR-E 質量、體積與 HAMR 差距不大,有點像是功能優化。

史上最小!哈佛出品的2厘米「四足小強」來了

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

那麼我們來看看 HAMR-Jr 的相關參數。

史上最小!哈佛出品的2厘米「四足小強」來了

根據上面的動圖就能發現,HAMR-Jr 依然沿襲了四足設計,在外形上與 HAMR 差距不大。

不過,HAMR-Jr 最大的變化就在於體積:重 320 毫克,長 2.25 厘米。HAMR-Jr 可謂是小而靈活,能小跑、前屈、跳躍、搬運重物,還能像螃蟹一樣橫著走。

HAMR-Jr 獨立驅動自由度為 8。另外,通過壓電致動器的驅動,HAMR-Jr 可以以每秒 14 個身長(30 厘米)的速度移動,平均步頻和最佳共振點為 200 Hz,最高近 300Hz。

值得一提的是,由於受到運動神經衝動和肌肉纖維激活的生物極限的制約,自然界中昆蟲步頻最快也無法達到 200Hz。這一點正如論文合著者之一、科羅拉多大學博爾德分校 Kaushik Jayaram 所說:

HAMR-Jr 的步頻可以超過 200 Hz,這在陸地生物系統中是前所未有的,而且這種高步頻下的運動動力學研究也是前所未有的。

另外,HAMR-Jr 還有一項指標值得關注——在有效載荷達到其自身質量(320 毫克,比如電池和一些感測器)的情況下,其性能變化不大。

不過,這裡也有一定的改進空間。

雷鋒網了解到,一些探索性試驗表明,HAMR-Jr 的有效載荷至少達 3.5 克。

再來看看 HAMR-Jr 的製造過程。

通過印刷電路微電子機械系統(PC-MEMS)製造工藝,機器人零部件被蝕刻成 2D 片,再通過靈活的鉸鏈進行連接,形成 3D 結構。通過縮小 2D 蝕刻片、致動器和板載電路,在功能不變的前提下,機器人的體積得以縮小。

能上太空,也能探索地下

據悉,這一研究得到了 DARPA(美國國防高級研究計劃局)的支持,與此同時,另一項仿生微型機器人研究項目更是獲得了美國國防部 53.8 萬美元的資助。

這一項目名為「人類自動化、信任和依賴研究的群體合作平台」(Human Swing Teaming Team Platform for Research in Human in Human Automation Trust and Reliance)由加州州立大學北嶺分校機械工程教授 Nhut Ho 領銜。

實際上,這一項目的合作成員也都實力不凡,可以說是強強聯合——NASA 噴氣推進實驗室、擁有網紅機器人的波士頓動力公司、英特爾、加拿大機器人公司 Clearpath Robotics、德國機器人公司 Telerob、位於矽谷的激光雷達公司 Velodyne 和位於洛杉磯的軍用級戰術 MIMO 無線通信開發商 Silvus Technologies。

雖然項目還在進行當中,具體成果尚未可知。但在加州州立大學北嶺分校的網站上,Nhut Ho 公開了其想法,將仿造昆蟲製造機器人:

我們從螞蟻和蜜蜂身上得到了啟發,它們能自我組織。應對不同任務,它們會採取最佳的解決方案進行團隊合作,即使出現了團隊成員失敗的情況,任務依然可以完成。

雷鋒網(公眾號:雷鋒網)注意到,Nhut Ho 還有一個頭銜:NASA 旗下的 STEAMH 自主技術研究中心創始主任。STEAMH 一詞由科學、技術、創業、藝術、數學和人文學術幾個英文單詞的首字母組成,這也代表著該研究中心的跨學科研究方向。

正因如此,這一項目旨在研發的機器人不僅將關注諸如搜索救援、採礦或一些極端環境中的陸地應用,也將用於 NASA 的行星探索。

對此,Nhut Ho 表示:

要探索火星表面和空洞,一群微型機器人將比大型機器人單槍匹馬地完成任務更為有效。

與此同時,由於項目合作夥伴之一 NASA 噴氣推進實驗室的一個團隊曾在 DARPA「地下挑戰賽」中獲得過第一名,在自動快速地繪製、導航和搜索地下環境方面有很好的基礎,因此這一項目最終設計的機器人也將會在地下場景中有所應用。

而上文提到的 HAMR-Jr 其實也有相似的用途,正如 Kaushik Jayaram 在接受 IEEE 採訪時所說:

我希望看到像 HAMR-Jr 這樣的微型機器人產生積極的社會影響,我設想的途徑主要有四個:搜索救援、高價值資產檢查、環境監控以及藥物方面的輔助。

由此可見,一方面,研究人員在微型仿生機器人領域不斷探索、追求極致;另一方面,機器人的實際應用場景也不斷被拓寬。

未來微型仿生機器人如何進一步發展,雷鋒網也將持續關注。

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