它只有1.2克重,比一枚一元硬幣還輕,卻能在草地狂奔、沙地穿行、石堆攀爬,甚至背著1.4克重物鉆過L形彎道,還能下水游泳。
這不是科幻道具,而是國防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)剛剛登上《Nature》子刊《Microsystems & Nanoengineering》的全新作品——PLioBot,一款并聯(lián)腿昆蟲級(jí)折紙機(jī)器人。
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PLioBot最狠的地方,不是它跑得快。雖然它確實(shí)快得離譜,每秒能飆44.6厘米,相當(dāng)于每秒狂奔17.8倍身長。按這個(gè)比例,博爾特得跑出每小時(shí)300公里才能跟上。
真正讓人眼前一亮的,是它居然是用一張“紙”折出來的。
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01.
不是組裝,是“長”出來的機(jī)器人
做微型機(jī)器人,最難的不是設(shè)計(jì),而是制造。要在厘米級(jí)的尺寸里塞進(jìn)去驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、腿、關(guān)節(jié),還得保證它們能協(xié)同工作,傳統(tǒng)做法是分別造好各個(gè)零件,然后在顯微鏡下手工組裝。工序復(fù)雜、對準(zhǔn)困難,精度全靠手感。
哈佛的HAMR系列、科羅拉多大學(xué)的CLARI,都是這么造出來的。但問題是,這種方式很難規(guī)模化,也難保證一致性。
國防科大團(tuán)隊(duì)這次換了個(gè)思路,把所有東西都集成在一起,一次成型,然后折起來。他們用五層復(fù)合材料,把機(jī)器人的所有部件都?jí)涸谝黄穑?/p>
壓電陶瓷:驅(qū)動(dòng),相當(dāng)于肌肉;
碳纖維預(yù)浸料:結(jié)構(gòu),縱向橫向交叉鋪層,相當(dāng)于骨骼;
聚酰亞胺薄膜:柔性鉸鏈,厚度0.025毫米,相當(dāng)于關(guān)節(jié)。
飛秒激光切出精密槽口,包括驅(qū)動(dòng)器位置、結(jié)構(gòu)輪廓,連78個(gè)柔性鉸鏈的位置,然后層壓、加熱固化,最后從材料上“撕”下一張完整的二維折紙機(jī)構(gòu)。沿著折痕翻折、固定,一個(gè)三維機(jī)器人就這樣成型。
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整個(gè)過程零組裝、零對準(zhǔn)。論文里專門算了自由度。從初始的81個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿、71個(gè)自由度,一路折到最后只剩32個(gè)連桿、8個(gè)自由度,剛好夠用,不多不少。
這是首次在昆蟲級(jí)壓電機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)-結(jié)構(gòu)一體化集成制造。
02.
最快跑44.6 cm/s,怎么做到的?
PLioBot的四條腿是并聯(lián)腿結(jié)構(gòu),每條腿兩個(gè)自由度,由兩個(gè)獨(dú)立的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)相位差,足端可以畫出橢圓軌跡。四條腿配合,走出小跑步態(tài)。
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測試顯示,當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率懟到60Hz、相位差100°時(shí),機(jī)器人進(jìn)入共振狀態(tài),速度飆到44.6 cm/s,相當(dāng)于每秒17.8倍身長。
對比一下現(xiàn)有成果:哈佛HAMR-Fast可跑10.1倍身長/秒,科羅拉多大學(xué)CLARI達(dá)到0.88倍身長/秒,而PLioBot是HAMR的1.77倍,是CLARI的20倍。
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而且它不是只會(huì)傻跑,換個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào),立馬后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn),指哪打哪。
有意思的是,當(dāng)60Hz高速運(yùn)動(dòng)時(shí),起跑瞬間會(huì)有角度偏差,往先動(dòng)的那條腿方向偏。團(tuán)隊(duì)解釋,這是高頻啟停沖擊大、沒有閉環(huán)控制導(dǎo)致的。不過,這也恰恰說明,PLioBot的動(dòng)力輸出足夠強(qiáng)勁,足以在啟動(dòng)瞬間擾動(dòng)機(jī)身姿態(tài)。
03.
不挑地形,能跑能游還能鉆
光跑得快不夠,能在復(fù)雜環(huán)境里完成任務(wù)才是真功夫。
PLioBot尺寸緊湊,能鉆進(jìn)最小2.5厘米寬的縫隙。由于采用了背負(fù)式驅(qū)動(dòng)器布局,驅(qū)動(dòng)器和結(jié)構(gòu)都裝在頂部,底盤高度和通過性得到了極大提升,在狹窄空間里不容易被卡住。
團(tuán)隊(duì)先測試了它在不同粗糙度表面上的表現(xiàn)。玻璃、亞克力、海綿。表面越光滑,打滑越嚴(yán)重,速度越慢。
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接著是爬坡測試。3°、6°、9°、12°,速度逐級(jí)下降。12°是極限,再高就翻車。
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真正考驗(yàn)的是隧道和L形彎道。PLioBot鉆進(jìn)16厘米長、3厘米寬的隧道,背上馱著1.4克載荷,以8.56 cm/s(3.42倍身長/秒)的速度順利通過。
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面對L形彎道,同樣背著1.4克負(fù)載,PLioBot先小跑步態(tài)進(jìn)入,到拐彎處無縫切換成快步態(tài),絲滑過彎。
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更絕的是,它能換“鞋”下水,團(tuán)隊(duì)配了兩種可更換腳墊。
半球形腳墊:點(diǎn)接觸,適合不平整地形。碎石路(直徑3-5毫米)、鵝卵石路(5-10毫米)都能爬。腿部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著地面起伏自適應(yīng)變形,不會(huì)翻車。
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鰭狀肢:下水專用。7厘米水深,沿魚缸底部爬行速度1.93 cm/s;綁上泡沫還能在水面劃水。
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最深度的測試是沙地+10°斜坡+淺水無縫過渡,在沙地易陷、斜坡易滑、淺水易飄的境況下,PLioBot三種地形一次性通過。
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04.
還不是完全體
PLioBot目前還拖著電線。因?yàn)樾枰?00V高壓驅(qū)動(dòng),現(xiàn)有的微型電池和升壓電路還沒集成上去。團(tuán)隊(duì)下一步要搞的就是微型高壓集成電路,把這1.2克的小家伙徹底解放。
到那時(shí)候,它才能真正鉆進(jìn)廢墟、爬進(jìn)管道、潛入水下,去人類進(jìn)不去的犄角旮旯干活。
論文里有一組“速度-負(fù)載曲線”專門為這一步鋪路。0.8克以下緩降,0.8-1.2克陡降,1.2-1.7克平臺(tái)期,1.7克以上線性下降。這條曲線告訴團(tuán)隊(duì),如果想做無線版本,電路加電池必須控制在0.8克以內(nèi)才能保住速度。
對于這項(xiàng)技術(shù)本身,團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)更宏觀的判斷:PLioBot的配置設(shè)計(jì)、制造工藝和折紙成型方法,可以沿用到其他昆蟲級(jí)機(jī)器人上。
換句話說,這套打法是可以復(fù)制的。以后設(shè)計(jì)微型機(jī)器人,圖紙畫好、激光一切、一折一粘完事。折紙+壓電+一體化制造,這可能是昆蟲級(jí)機(jī)器人的一個(gè)新方向。
論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41378-026-01205-4
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