西北大學(xué)的工程師開發(fā)了有史以來(lái)最小的遙控步行機(jī)器人——它以一種小巧可愛的躲貓貓的形式出現(xiàn)。

這些小螃蟹只有半毫米寬，可以彎曲、扭曲、爬行、行走、轉(zhuǎn)身甚至跳躍。研究人員還開發(fā)了類似于尺蠖、蟋蟀和甲蟲的毫米大小的機(jī)器人。盡管目前這項(xiàng)研究處于探索性階段，但研究人員認(rèn)為，他們的技術(shù)可能會(huì)使該領(lǐng)域更接近于實(shí)現(xiàn)能夠在狹窄空間內(nèi)執(zhí)行實(shí)際任務(wù)的微型機(jī)器人。

該 研究發(fā)表 在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上。去年 9 月，同一團(tuán)隊(duì) 推出了一種帶翼微芯片 ，這是有史以來(lái)最小的人造飛行結(jié)構(gòu)(發(fā)表在《自然》雜志的封面上)。

“機(jī)器人學(xué)是一個(gè)令人興奮的研究領(lǐng)域，微型機(jī)器人的發(fā)展是學(xué)術(shù)探索的一個(gè)有趣話題，” 領(lǐng)導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)工作的John A. Rogers說(shuō)。“您可以將微型機(jī)器人想象為修復(fù)或組裝工業(yè)中小型結(jié)構(gòu)或機(jī)器的代理，或者作為手術(shù)助手來(lái)清除阻塞的動(dòng)脈、止血或消除癌性腫瘤——所有這些都是微創(chuàng)手術(shù)。”

“我們的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種受控運(yùn)動(dòng)方式，并且可以以每秒一半的身體長(zhǎng)度的平均速度行走，” 領(lǐng)導(dǎo)理論工作的黃永剛補(bǔ)充道。“對(duì)于陸地機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要在如此小的規(guī)模上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常具有挑戰(zhàn)性。”

作為生物電子學(xué)的先驅(qū)，Rogers 是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院 和 Feinberg 醫(yī)學(xué)院材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科的 Louis Simpson 和 Kimberly Querrey 教授， 也是 Querrey Simpson 生物電子學(xué)研究所(QSIB)的主任. 黃是麥考密克機(jī)械工程和土木與環(huán)境工程的 Jan 和 Marcia Achenbach 教授，也是 QSIB 的主要成員。

螃蟹比跳蚤還小，它不是由復(fù)雜的硬件、液壓或電力驅(qū)動(dòng)的。相反，它的力量在于它身體的彈性。為了構(gòu)建機(jī)器人，研究人員使用了一種形狀記憶合金材料，這種材料在加熱時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;記憶”的形狀。在這種情況下，研究人員使用掃描的激光束在機(jī)器人身體的不同目標(biāo)位置快速加熱。一層薄薄的玻璃涂層在冷卻時(shí)彈性地使結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分恢復(fù)到其變形的形狀。

隨著機(jī)器人從一個(gè)階段變?yōu)榱硪粋€(gè)階段——變形為記憶形狀并再次變回——它會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。激光不僅遠(yuǎn)程控制機(jī)器人啟動(dòng)，而且激光掃描方向也決定了機(jī)器人的行走方向。例如，從左向右掃描會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人從右向左移動(dòng)。

“因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)非常小，冷卻速度非?？?，”羅杰斯解釋說(shuō)。“事實(shí)上，縮小這些機(jī)器人的尺寸可以讓它們跑得更快。”

為了制造這么小的生物，羅杰斯和黃轉(zhuǎn)向了他們 八年前引入的一種技術(shù) ——一種受兒童彈出式書籍啟發(fā)的彈出式組裝方法。

首先，該團(tuán)隊(duì)以平坦的平面幾何形狀制造了行走蟹結(jié)構(gòu)的前身。然后，他們將這些前體粘合到略微拉伸的橡膠基材上。當(dāng)拉伸的基材松弛時(shí)，會(huì)發(fā)生受控的屈曲過程，導(dǎo)致螃蟹“彈出”成精確定義的三維形狀。

通過這種制造方法，西北大學(xué)的團(tuán)隊(duì)可以開發(fā)出各種形狀和大小的機(jī)器人。那么為什么是一只躲貓貓呢?我們要感謝 Rogers 和 Huang 的學(xué)生。

“通過這些組裝技術(shù)和材料概念，我們可以制造幾乎任何尺寸或 3D 形狀的步行機(jī)器人，”羅杰斯說(shuō)。“但學(xué)生們對(duì)小螃蟹的側(cè)身爬行動(dòng)作感到鼓舞和逗樂。這是一個(gè)創(chuàng)造性的突發(fā)奇想。”