昆蟲機器人“長”出仿生腿 ，跑得比“小強”還快還穩(wěn)

出品：科普中國

作者：李瑞（大阪大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為了解前沿科技動態(tài)，科普中國前沿科技項目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時間用通俗語言進(jìn)行解讀。讓我們透過頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂趣。

昆蟲，大自然的“微型機器人”。它們身材小巧，動作靈活，能鉆能爬，去哪兒都不在話下。科學(xué)家們早就想：要是能造出像昆蟲一樣靈活的機器人該有多好。但受限于現(xiàn)有的微型驅(qū)動技術(shù)，人造機器昆蟲總是力不從心，要么速度慢，要么載重差，甚至連穩(wěn)定的方向控制都成問題。

不過，來自北京航空航天大學(xué)的科研團(tuán)隊最近帶來了好消息，他們發(fā)明了一種全新的微型仿生驅(qū)動系統(tǒng)，不僅能量利用效率高，而且能精準(zhǔn)控制機器人的運動。有了這個“黑科技”，他們打造出了一款跑得比“小強”還快、還穩(wěn)的機器昆蟲“BHMbot”，這項研究已于近日發(fā)表在《自然-通訊》雜志上。

機器“小強”定妝照

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

身懷絕技的BHMbot

這只BHMbot雖然只有2厘米長、1.76克重，但它可不是空心的。它的身上集成了能源、控制、通訊、傳感等多個模塊，是一臺貨真價實的微型機器人。而最關(guān)鍵的是它腿上裝備的特制動力系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式電機不同，BHMbot采用了一種直線式電機作為驅(qū)動。直線電動機（linear motor，又稱線性電動機、線型電動機，）是電動機的一種，其原理是直接把輸入電力轉(zhuǎn)化為線性動能，與傳統(tǒng)的扭力及旋轉(zhuǎn)動能不同。直線電機本質(zhì)上是一個電磁鐵，通電后會產(chǎn)生往復(fù)振動。在微小尺度下，這種結(jié)構(gòu)更容易加工和控制。但振動本身并不能直接帶動機器人行走，還需要一個“變速箱”將振動轉(zhuǎn)化為步態(tài)運動。

科研團(tuán)隊受到昆蟲腿部關(guān)節(jié)的啟發(fā)，設(shè)計了一組柔性鉸鏈傳動裝置。鉸鏈的一端連接電機，另一端連接機器人的腿部。當(dāng)電機振動時，鉸鏈會產(chǎn)生彈性形變，帶動腿部揮動。同時，機器人的軀干也會隨之產(chǎn)生共振，像彈簧一樣蓄勢助跑。

鉸鏈傳動裝置示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

通過精心設(shè)計鉸鏈的剛?cè)岫群屯炔康臄[動頻率，研究人員實現(xiàn)了這種柔性傳動系統(tǒng)與機器人身體的共振耦合，大大提高了機器人的運動效率。

這種“直線驅(qū)動+柔性傳動”的組合，堪稱昆蟲機器人的“超級動力系統(tǒng)”。它巧妙地避開了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機在微型化中的種種局限，又通過仿生結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了能量的高效利用。測試顯示，這種新型驅(qū)動系統(tǒng)的效率可以達(dá)到20%以上，遠(yuǎn)高于毫米級傳統(tǒng)電機的水平。

于是乎，這個小不點就有了驚人的“腳力”。別看它一次只能跳幾毫米，但頻率高啊，這小家伙一秒鐘能跳幾十下，就像上了發(fā)條似的，速度可以達(dá)到自身長度的25倍多！

更神奇的是，這個昆蟲機器人居然還能越“馱”越快，給它背上有自身5倍多重的“行李”后，它照樣歡快地蹦跶。這得益于它能隨著載重變化，自動調(diào)整跳躍的頻率和幅度。在一定范圍內(nèi)，BHMbot的速度甚至?xí)S著載重的增加而提高。

至于方向控制，科學(xué)家們也有妙招。他們在BHMbot的兩條腿上分別裝了微型電機，通過巧妙調(diào)節(jié)兩條腿的運動頻率差，就能操控機器人轉(zhuǎn)向。就像兩個輪子轉(zhuǎn)速不同，車子就會拐彎一樣。這樣一來，無需復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，只用兩個驅(qū)動器就能讓BHMbot隨心所欲地“遛彎兒”了。這種控制方法的靈感同樣來自昆蟲，昆蟲就是通過控制左右兩側(cè)肢體的運動頻率差，來調(diào)節(jié)行進(jìn)方向的。

無限可能——BHMbot的未來

有了這些“絕活兒”，BHMbot簡直是昆蟲界的“超級玩家”。給它編個程序，它就能按計劃跑出圓形、矩形，甚至寫出“BUAA”（北京航空航天大學(xué)的縮寫）的字樣。而通過手機遙控，它還能靈活地避開障礙。這么能跑能跳的小機器人，用途可就多了。

比如，它可以穿過廢墟，去震后現(xiàn)場搜尋幸存者。研究人員已經(jīng)做了模擬實驗，讓BHMbot在復(fù)雜環(huán)境中穿行，并成功識別出受困人員發(fā)出的求救信號。又比如，這小家伙還能給飛機“體檢”。它身材小，跑得穩(wěn)，正適合鉆入發(fā)動機等狹窄部位，近距離勘察可能出現(xiàn)的損傷。

BHMbot穿越廢墟的模擬實驗

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

從本質(zhì)上說，BHMbot的技術(shù)原理是實現(xiàn)了微小尺度下能量轉(zhuǎn)換與運動控制的高度耦合與優(yōu)化。一方面，直線驅(qū)動和柔性傳動的巧妙結(jié)合在結(jié)構(gòu)設(shè)計上找到了電機輸出和機器人運動的最佳“頻率”。另一方面，這種結(jié)構(gòu)還能根據(jù)不同的載重和環(huán)境需求，自適應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動參數(shù)，使輸出力矩始終與負(fù)載阻抗實現(xiàn)“阻抗匹配”，保證能量利用的最優(yōu)狀態(tài)。

這項研究的意義，不僅在于造出了一只跑得快、跳得高，還特別能“背”的機器小強，更在于它所采用的微型驅(qū)動和控制技術(shù)，為昆蟲機器人的設(shè)計開辟了新途徑。這種輕巧、靈活、高效的驅(qū)動形式，有望在微型機器人領(lǐng)域帶來一場革命。

向大自然汲取靈感的仿生機電科學(xué)

縱觀BHMbot的研發(fā)歷程，我們不難發(fā)現(xiàn)一個貫穿人類文明史的思想內(nèi)核——向大自然學(xué)習(xí)，從生物體的精巧結(jié)構(gòu)中汲取靈感，并將其與尖端制造技術(shù)相結(jié)合，去創(chuàng)造出更高效、更智能的機器。這種仿生學(xué)與機器人學(xué)的交叉融合，正是當(dāng)前機器人領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

生物進(jìn)化了數(shù)億年才鑄就了昆蟲的“完美”形體，而工程師們?nèi)缃裾噲D用最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，去重現(xiàn)這種“完美”。這是一條充滿挑戰(zhàn)，但也充滿想象力的道路。

用廢棄零件制成的蜘蛛機器人

（圖片來源：veer圖庫）

從蒸汽機到電動機，從家用電器到數(shù)控機床，機器的進(jìn)化史就是一部動力系統(tǒng)的進(jìn)化史。如今，隨著BHMbot等微型機器人的出現(xiàn)，這種進(jìn)化正在向微觀尺度延伸。它預(yù)示著，我們終有一天能造出媲美甚至超越昆蟲的“微型工人”，打造由無數(shù)智能微型機器人組成的世界，它們或協(xié)同，或自治，執(zhí)行著各種精細(xì)而復(fù)雜的任務(wù)，服務(wù)于人類社會的方方面面。

目前，這個夢想還停留在科幻的想象中，但BHMbot的誕生或許已經(jīng)邁出了關(guān)鍵的第一步。這項突破性的研究，展現(xiàn)了昆蟲機器人領(lǐng)域的巨大潛力，也為微型動力系統(tǒng)和控制技術(shù)指明了新的方向。它帶給我們的，不僅是技術(shù)上的驚喜，更是對微觀世界的新想象。

我們相信，隨著越來越多的科學(xué)家投身到這一領(lǐng)域，仿生微型機器人必將在不遠(yuǎn)的未來，成為推動科技革命的重要力量。讓我們拭目以待，期待這些機械“昆蟲”創(chuàng)造更多奇跡。

為人類工作的機器昆蟲團(tuán)隊（想象圖）

（圖片來源：AI合成）

參考文獻(xiàn)：

1.Liu, Z., Zhan, W., Liu, X. et al. A wireless controlled robotic insect with ultrafast untethered running speeds. Nat Commun 15, 3815 (2024).

2.北京航空航天大學(xué)新聞網(wǎng).《Nature Communications》刊發(fā)北航閆曉軍教授團(tuán)隊在機器昆蟲方面的最新研究成果