图片来源：Kaushik Jayaram/Harvard SEAS

受昆（kūn）虫生物学的启发，哈佛大学的（de）一（yī）个团队（duì）正在突破其项（xiàng）目（mù）的极（jí）限，打造出（chū）有史以（yǐ）来最小、速度最快的（de）微型（xíng）机器人。

在名为“哈（hā）佛移动（dòng）微型机（jī）器人（rén）”(HAMR)项目的最新进展中，研究人员表示（shì），他们已经成功地（dì）将（jiāng）这（zhè）个（gè）灵感来（lái）自蟑螂的机（jī）器人（rén）缩（suō）小（xiǎo）到硬币大小。这个小机器人虽然还不（bú）能爬上水（shuǐ）柱，但它可（kě）以（yǐ）奔（bēn）跑、跳跃、携（xié）带重物和快速转弯。

这个被称为HAMR-JR的微型（xíng）机器人是由（yóu）哈佛（fó）大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学（xué）院(SEAS)和哈佛（fó）威斯（sī）生物启发工（gōng）程（chéng）研究所的研究人（rén）员携手开（kāi）发的，它只有受蟑螂启发的哈佛移动微型机器人HAMR的一半大小（xiǎo）。

HAMR-JR只有一便士大小，几乎可（kě）以（yǐ）完成它的大型（xíng）前身的所有壮举，促使它（tā）成为迄今为止最灵巧的微型机器人之一。

“这种规模的大多数机器人都相当（dāng）简（jiǎn）单，只展示了基本的移动能（néng）力。”Kaushik Jayaram说，他是SEAS and Wyss的前（qián）博士后（hòu）研（yán）究员，也是（shì）该论（lùn）文的第一（yī）作者。“我（wǒ）们已经证明，你不需要为灵巧妥协或（huò）控制大小。”

Jayaram目前是科罗拉多大学博尔德分校的助理教授。

这项（xiàng）研（yán）究（jiū）在本周的国际（jì）机器人（rén）和自动化会议(ICRA 2020)上（shàng）虚拟会议展示（shì）了出来（lái）。

这项研（yán）究面临的一个大问题是，用（yòng）于制造HAMR早期版本和（hé）其他微型机器人(包（bāo）括（kuò）RoboBee)的弹出式制（zhì）造流（liú）程，是否可（kě）以用于制造多种规模的机器人——从微型外科机器人到大（dà）型工（gōng）业机器人。

PC-MEMS(印刷电路微机电系统的缩写)是一（yī）种制造工艺，在这种（zhǒng）工（gōng）艺中，机（jī）器人的部件（jiàn）被蚀刻在一张2D的薄片上，然后（hòu）以3D的形式呈（chéng）现出来。为了建造HAMR-JR，研（yán）究人员只是简单地缩小了机器人的2D平面（miàn）设计——以及驱动器和（hé）车载电路——以重（chóng）现一个具有所有相同功能的更小（xiǎo）的机器人（rén）。

Jayaram说:“这次试验的奇妙之处在（zài）于，我们不必对之前的（de）设计做任（rèn）何（hé）改变。”“我们可以（yǐ）证明，这一制造过程基本上可以应用于各种尺寸的（de）任何设备（bèi）。”

HAMR-JR体（tǐ）长2.25厘米，重约（yuē）0.3克，相当于一枚硬币的重量，它奔（bēn）跑速度（dù）惊人，使它不仅是最小的，也是（shì）最快的微型机器人之（zhī）一（yī）。 

这项研究是由（yóu）Jennifer Shum, Samantha Castellanos和E. Farrell Helbling共同撰写（xiě）的。这项研（yán）究得（dé）到（dào）了DARPA和（hé）维斯研（yán）究所的支持。

对（duì）蟑螂的（de）误解

对这（zhè）位今年加入CU Boulder的工程师Jayaram来说，这个项目（mù）是一系列机器人（rén）设（shè）计中（zhōng）最（zuì）新的一（yī）个，这（zhè）些机（jī）器（qì）人的灵感来自（zì）一个不太可能的来（lái）源：令人厌恶的蟑螂。

Jayaram之前制造了一（yī）个名叫CRAM的小型机（jī）器人（rén），它可以像城市里的害虫一样挤进看似不可能的空间。他的另一个作品能够头朝下撞到墙上，然后继续（xù）跑——就（jiù）像一只（zhī）蟑螂一样。

“在上研（yán）究生之前（qián），我从来（lái）都不喜欢蟑螂。”Jayaram说，“但后来，这么多年来，我觉（jiào）得（dé），‘是（shì）啊，你太恶（è）心了。但作为一种特（tè）别的（de）生物，你（nǐ）也是非常有用（yòng）的，我们（men）可（kě）以从中学到（dào）东西。’”

设计用来模仿这种讨厌昆虫的速度和（hé）机动性的HAMR-JR，也带（dài）来了一系列工程上的（de）挑战。

最主要（yào）的就（jiù）是（shì）动力（lì）问题。这（zhè）种尺（chǐ）寸的机器人不能使用传统的马达。当它们太小的时候就（jiù）会过热。因此（cǐ），哈佛大学的研（yán）究小组使用一种叫做“压电致动器”的工具为HAMR-JR提供（gòng）了动力。

此外，按（àn）比例缩小确实会改变一些控制（zhì）步长和关节刚度的原（yuán）则，因此（cǐ）研究人（rén）员还（hái）开发了（le）一个模型，可以根据（jù）目（mù）标（biāo）尺寸（cùn）预测运动指标，如（rú）跑（pǎo）步（bù）速度、脚力（lì）和有效载荷。然后可以使用（yòng）该（gāi）模型来（lái）设计具有所需规范的系统。

Jayaram解（jiě）释说，为了制造（zào）这么（me）小的机器人（rén），研究人员首先用激光（guāng）将机器人的身体部分的形状蚀刻在（zài）一块碳纤维复合材料上。

Jayaram说:“我（wǒ）们在平面上把所有东西做成二维结构，然后（hòu）像折纸一样把（bǎ）它折叠起来，做成三维结构（gòu）。”“在显微镜下观察要花很多时间才能让（ràng）它工作。”

小小机器人，大有希（xī）望

这些让（ràng）眼（yǎn）睛的疼痛得到（dào）了回报：HAMR-JR可以左右转弯（wān），甚至可以（yǐ）向（xiàng）后疾（jí）走。它跑步的速度是（shì）它身体长（zhǎng）度（dù）的14倍（bèi），也就（jiù）是大（dà）约每（měi）秒（miǎo）1英尺。相比之（zhī）下，哺乳动物世（shì）界（jiè）中速度最（zuì）快的动物——猎豹的冲刺速（sù）度约为每秒（miǎo）16个身长。

HAMR-JR只是一个开始，Jayaram补充（chōng）道。理论上（shàng），工程师们可以用他的团队（duì）同样的方法制造出更小（xiǎo）的机器人（rén）——铅笔橡皮或者更小。

“我（wǒ）们证明了我们的设计和制造方法是高度可扩展的。”Jayaram说，“我们可以把所有（yǒu）东西缩小或（huò）放大（dà），机器人仍然可（kě）以工作。”

现在，Jayaram想（xiǎng）看看他（tā）还能从昆（kūn）虫身上获（huò）得什么（me）灵感：他能不能做一个有6条（tiáo）或8条腿（tuǐ）的微型机（jī）器（qì）人来取代HAMR-JR的（de）4条腿?那（nà）么，如果（guǒ）一个小机器人足够灵（líng）活（huó），即使被踩到也能存活下（xià）来呢?

换句话说，当（dāng）你身边有蟑螂（láng）的（de）时候（hòu），没有什么是你做不到的。

“我（wǒ）对生物（wù）学和工程学边（biān）缘的问（wèn）题感兴趣HAMR-JR”Jayaram说，“什么是生物学（xué）能做而工程学不能做的？”

前身——微型机器人HAMR

2018年，哈佛大学在《自然通讯》发（fā）表研究，展示了（le）灵（líng）感来自（zì）蟑螂的微型机器（qì）人HAMR，既能在陆地上行走，也能在水（shuǐ）面上游泳、在水下行走（zǒu），只要需要，就可（kě）以探索新的环境。作为对比，在（zài）自然界中，蟑螂可以在水下（xià）存活30分（fèn）钟，但现在，蟑螂机器人青出于蓝而胜于（yú）蓝（lán）。

HAMR使用多（duō）功（gōng）能脚垫，依靠（kào）表面（miàn）张力（lì）和表（biǎo）面张力（lì）诱导（dǎo）浮力，当HAMR需（xū）要游泳，也可以施（shī）加电（diàn）压打破（pò）水（shuǐ）面，当HAMR需要下沉。这一过程被称为电润湿，即在（zài）施加（jiā）的电压（yā）下减小材（cái）料与水表面的接触角。接触（chù）角（jiǎo）的变化（huà）使（shǐ）得物体更容易突破水（shuǐ）面。

研究人员表示（shì），这项研究表（biǎo）明,微型机器（qì）人可以（yǐ）利用小规模的物理——在（zài）这种情况下表面张（zhāng）力来执行功能和挑（tiāo）战更大的机器人。

HAMR重1.65克(相当于一（yī）个大（dà）回形（xíng）针的重量)，可以（yǐ）在不下沉的情况下（xià）额外携带1.44克（kè）的有效载荷，它摆动腿的频率可达10赫（hè）兹。上面涂了一（yī）层聚二甲苯，防（fáng）止（zhǐ）它在水下短（duǎn）路。

一旦（dàn）进入（rù）水面以下，HAMR就会像在陆（lù）地上一样走路（lù），而且移（yí）动（dòng）自（zì）如。要回到干燥（zào）的陆地，HAMR面临着来自水的巨（jù）大（dà）挑战（zhàn）。一（yī）种（zhǒng）相当于机器人重（chóng）量两倍的水面张力向下压在（zài）机器人身（shēn）上，此外，这种诱导力矩还会大（dà）大增（zēng）加机器人后腿的摩擦力。

研究人员加固了机器人（rén）的传动装置（zhì），并在机器人的前腿上安装了软垫，以增加负载能力，并（bìng）在（zài）爬升过程中重新（xīn）分配摩擦力。最后，爬上一个适（shì）当的斜坡，机器人（rén）就能跳（tiào）出水面。

编译/前（qián）瞻经（jīng）济学人APP资讯（xùn）组

原文来（lái）源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200603122948.htm

https://www.colorado.edu/today/2020/06/03/cockroach-inspired-robot-among-smallest-fastest-ever