飛過石堆，穿過樹枝，穩(wěn)穩(wěn)降落并行駛于地面……復(fù)雜戶外環(huán)境下，一臺體長9厘米、質(zhì)量25克的微型無線陸空兩棲機(jī)器人行動自如。
微型陸空兩棲機(jī)器人在室外復(fù)雜場景中的運(yùn)動
4月18日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組在《自然—機(jī)器智能》上以研究論文形式在線發(fā)表題為“具有連續(xù)三維變形和鎖定能力的可重構(gòu)機(jī)器”的研究成果。該課題組開發(fā)了幾何形狀可定制、具有連續(xù)變形和鎖定特性的小尺度驅(qū)動器，并研制出目前已知世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機(jī)器人，以及可在“跑車”“飛車”“貨車”多種構(gòu)型間切換的多功能微型輪式機(jī)器人。
論文第一作者、清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士研究生徐世威介紹，具有變形和鎖定能力的驅(qū)動器如同微型機(jī)器人的外骨骼，使其擁有形態(tài)切換能力，以適應(yīng)不同環(huán)境。然而，目前其他驅(qū)動器在小尺度下難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的形狀變化與構(gòu)型鎖定，制約了多模式機(jī)器人向微型化與無線化發(fā)展。
對此，課題組采用材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的策略，提出一種具有連續(xù)形狀變化和構(gòu)型鎖定能力的新型薄膜形電熱響應(yīng)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)概念。在不同的驅(qū)動電壓下，驅(qū)動器可以變形并鎖定在不同形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，受積木玩具啟發(fā)，課題組提出一種“搭積木”似的構(gòu)建方法，可以制備具有復(fù)雜重構(gòu)能力的驅(qū)動器，如“變形金剛”。
圖為由多個驅(qū)動器單元構(gòu)成的迷你版“變形金剛”
基于所開發(fā)的驅(qū)動器，課題組設(shè)計(jì)制備出一種微型無線陸空兩棲機(jī)器人，能夠在4種典型構(gòu)型之間轉(zhuǎn)變，進(jìn)而以地面或空中運(yùn)動模式在復(fù)雜室內(nèi)及戶外環(huán)境中運(yùn)動。在地面運(yùn)動模式下，機(jī)器人在多種材質(zhì)上均具有較快的運(yùn)動速度，最高可達(dá)每秒1.6米。此外，機(jī)器人構(gòu)型切換的能耗較低，不超過所用電池容量的1.7%。
此外，課題組還將具有復(fù)雜變形模式的驅(qū)動器作為微型外骨骼，并集成微型電機(jī)等部件，設(shè)計(jì)制備了一款多功能微型輪式機(jī)器人。該機(jī)器人質(zhì)量僅2.5克，能夠在“跑車”“飛車”和“貨車”等多種復(fù)雜構(gòu)型間自由切換。
張一慧表示，此次成果為微型機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用提供了新的思路和路徑。未來，微型無線陸空兩棲機(jī)器人可應(yīng)用于設(shè)備故障診斷及檢修、地質(zhì)及文物勘探等場景，替代人類執(zhí)行復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下的多種任務(wù)。此外，團(tuán)隊(duì)研制的驅(qū)動器可賦能生物電子器件，用于構(gòu)建可展開的植入式醫(yī)療器械等。