一种可以跳跃,另一种可以拍打其人造翅膀。这些机器人的设计中,提出了2 篇论文上的arXiv预公开,模拟真实的生物行为,昆虫观察。
这两个微型机器人是由果蝇机器人和跳跃μbot所开发的中国机械网okmao.com。在其教授克莱尔·汤姆林(Claire Tomlin)的指导下,学生巴拉克·布珊(Parak Bhushan)作为论文的一部分。
将来,微型机器人可能会具有许多重要的应用,可以帮助人类完成诸如遥感,自然灾害后寻找幸存者以及太空探索等任务。
实际上,微型机器人具有几个有利的特征,包括它们的体积小,类似昆虫的可操纵性以及在挑战性地形中的导航更容易。
“稳健性,以强悍的地形通常与环境增加了更小的机器人交互,”普山和汤姆林说TechXplore。“飞行物和跳线(例如苍蝇,蚱grass等)通过飞越/跳跃越过障碍物并到达下一个目的地来最小化这种相互作用,而蚂蚁则必须越过每个小颠簸。
飞行物与地球和其他物体更相关大气层的行星,而跳线对于没有大气层且重力较低的地方更为重要。”
研究人员开发的第一个机器人,他们称为果蝇机器人,是有史以来开发的第一个有效模仿昆虫翅膀运动学的亚毫米翼飞机。
迄今为止,大多数小型扑翼微型机器人的质量均为100毫克。但是,在自然界中,微小的飞行昆虫(例如果蝇)的质量等级为1毫克,有些甚至更小。
“果蝇机器人”机翼俯仰,顶视图。研究人员解释说:“开发这种特殊的微型机器人的动机是弥合已经完成的和可能的之间的尺寸差距。”
“我们的主要目标是使用机载电动机和机构,但使用外部电源,以这种尺寸展示襟翼的运动。”
小型飞行昆虫通常通过执行较大的机翼冲程来产生升力。Bhushan和Tomlin在开发此机器人时面临的主要挑战之一是制造小型致动器,而不是能够产生足够大的旋转来驱动人造机翼的致动器。
Bhushan和Tomlin解释说:“以前的作品使用的是小旋转电动机,然后使用放大机构将该运动放大为大旋转。” “即使对于100毫克规模的机器人,这些放大机构的特征尺寸也可降至70um。简单地将设计缩小100倍,将导致电机运动更小,进而需要放大机构中更小的特征尺寸,不可行。”
为了解决与缩小微型机器人设计规模有关的问题,研究人员制造了一种无需任何放大机制即可工作的大型旋转电机。他们通过开发一种扭力弹簧来实现这一点,在这种扭力弹簧中,单个悬臂的小旋转加起来,在共振驱动下会产生大的旋转。
“果蝇机器人”机翼俯仰正视图。通过研究者的设计,即使在1毫克规模的情况下,飞行机器人的特征尺寸也可以降至100um。
值得注意的是,它们的果蝇机器人可以在相对较短的时间内制造出来。此外,它的低工作电压(即70mV)应使其在将来易于测试和部署。
研究人员开发的第二个微型机器人是跳跃机器人,尺寸为17mm x 6mm x 14mm,重量为75毫克。该机器人的系链版本每分钟可以跳跃6次,完美地落在其脚上。机器人要跳高8毫米,就要消耗大约6.4mW的功率。
就像果蝇机器人一样,这种微型机器人在功能上是同类产品中最小的,至少就研究人员而言。实际上,过去研究中报告的最小的跳跃机器人搭载的车载电源重量约为300毫克,在化学能源耗尽之前只能跳跃一次。
研究人员说:“我们的目标是开发一种质量在100毫克以下的物质,该物质可以重复进行跳跃。” “请注意,由于与果蝇机器人相比,我们的规模更大,因此我们可以更加雄心勃勃,因此也可以使用车载电源。”
跳跃μbot使用激光功率执行跳跃。小型跳跃昆虫通常在执行跳跃时用双腿迅速推动地面。这种瞬时功率需求太高,以至于无法使用车载电动机来再现。
为了克服这一挑战,以前的研究已经使用电动机将能量存储在机载机制中,然后迅速释放这种能量,从而使机器人可以执行跳跃动作。在他们的研究中,研究人员还决定使用这种方法。
Bhushan和Tomlin说:“电动机很重,很难在小规模上制造,并且需要特殊的控制信号来操作它们。”
“为简化制造和控制,我们通过使其他所需功能被动发生来确保我们的设计能够使用单个电动机运行,此外,我们还设计了电动机,使其能够使用简单的开/关控制信号来工作。”
在由Bhushan和Tomlin开发的跳跃机器人中,单个电动机通过累积小的旋转来产生连续的旋转运动。然后,该运动将用于上弦,该弦被设计成在储能机构中拉动弹簧。能量达到特定阈值后,该机制会迅速释放机器人存储的能量,最终使其跳跃。
“电动机的简单控制要求使我们能够使用1毫克的光伏电池为它供电,当红外激光照射在它们上时会产生电流,但是这种电源只是将来可用的微型电池的占位符。”研究人员补充说。
跳跃的μbot。现有的大多数100毫克规模的机器人都使用需要200-5000V高压才能工作的压电和静电执行器。
这意味着它们经常与用于驱动它们的笨重且效率低下的电压放大电路作斗争。根据研究人员的说法,这是迄今为止到目前为止成功制作出极少数完全没有系绳的微型机器人的主要原因。
“我们成功设计了新颖的电磁致动器,就像您的耳机一样,它是一个磁铁加线圈系统,需要低压才能运行-果蝇机器人仅0.07V,跳跃机器人仅0.8V,” Bhushan和汤姆林说。“因此,当我们将来拥有优质的微型电池(我们现在还没有)时,我们的机器人将变得更轻巧,并且消耗的功率要低得多。”
为了有效运行,所有1毫克规模的机器人以及数个100毫克规模的机器人都需要特殊的“受控”环境,例如以变化的外部磁场,加热板或振动板为特征。
另一方面,该果蝇机器人和跳跃机器人使用的执行器是机载的,因此,这些小型机器人在常规环境中也能表现良好。
令人印象深刻的是,研究人员能够制造出迄今报道的最小的翼展装置,其质量与实蝇相同。他们还成功设计了迄今为止最轻的无束缚跳跃机器人,并配备了车载电源。
机翼拍打机器人的机翼。目前,电池仍无法支持100毫克级飞行机器人,因此研究人员可能需要一些时间才能成功为其1毫克级飞行机器人供电。此外,机器人的电机的功率效率为0.7%,而果蝇的肌肉的效率为17%。
在未来的工作中,研究人员计划将重点放在开发更高效的电机上,以进一步完善他们的设计,并为最终释放出足以支撑机器人的小电池做准备。他们还希望创建0.1毫克以下的低功耗传感器和控制器,因为这将使他们能够使果蝇机器人实现自主。
Bhushan和Tomlin解释说:“对于跳跃机器人,我们计划在发射速度上增加一个水平分量,这可以帮助该机器人四处导航。”
“鉴于该机器人的功率要求较低,并且与果蝇机器人相比,其体积更大,我们还应该能够向其添加现有电池,以使其完全自给自足地跳跃。”