由吸管製成的仿昆蟲機器人 “機械昆蟲(Arthrobots)”

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©Nemiroski et al., 2017

仿生機器人的研究已經達到了前所未有的先進水準。但是在保證功能性的前提下保持外觀設計的簡單輕巧仍是最大的挑戰之一。由哈佛大學Whitesides研究小組的研究人員開發的機械昆蟲是一款半軟、輕質的機器人,使用聚丙烯管(吸管)構建,具有相對簡單的結構。

為什麼將它們稱為“機械昆蟲”?研究人員解釋說,這是因為機器人“使用了部分仿蜘蛛關節的驅動機制,但是卻使用了與其他昆蟲相似的步態。”研究人員決定直接從蛛形綱動物或蜘蛛的肌肉骨骼系統中尋找靈感。雖然蜘蛛具有複雜的腿部結構,但是在節肢動物群體中,蜘蛛的腿部伸展機制已經是最簡單的了。

蜘蛛的腿部關節由一個允許剛性外骨骼運動的柔性鉸鏈、靜態關節(即折疊關節)、用於關節伸展的液壓機構和集成化屈肌組成。

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圖1:機械昆蟲關節元件/ ©Nemiroski 等, 2017

同樣,機械昆蟲的關節由以下結構部分組成:1)用薄聚丙烯吸管製成的帶切口的柔性鉸鏈;2)插入帶切口管中的可充氣彈性氣囊(即致動器);3)在關節內部接入的彈性帶,以提供彈性回復力。為了具有簡單的結構,使用了外徑為1釐米的大口徑聚丙烯吸管(或泡泡茶吸管)。在吸管的中心進行標記並切開切口後(圖1),將橡膠粘在關節的內部以形成“腱”。然後,將一根5釐米長的彈性管插入吸管中。

為了增加結構支撐力,在連接腱之前,關節會被套上“袖子”,方法是用單層無紡布將其包裹起來。特別是八足機械昆蟲,在套上“袖子”之前,關節內包含的附加折疊管以及第二組彈性腱會對結構帶來負擔。

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圖2:仿蜘蛛關節的制動機制/ ©Nemiroski 等, 2017

六足行走機械昆蟲

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圖3:六足機械昆蟲設計及關節運動方向示意圖/ ©Nemiroski 等, 2017

這款腿部固定的機械昆蟲重38克,長20釐米,能夠在平坦和不規則的表面上行走。如圖3所示,每條腿都有兩個關節,分別具有兩個自由度,可以進行單獨控制。機器人的動作順序與三腳步態極為相似,這是六足昆蟲常見的行走機制。就像這樣:機器人將三條腿(形成三角形)保持與地面接觸,而其他三條腿向前擺動。每個運動週期都從後腿開始,整個過程按照如下方式進行:1)將腿從地面抬起;2)向前移動;3)將其放至地面;4)向後移動以施加向前的推力。這種運動方式主要是由“關節的相對方向,啟動時提供給每個關節的壓力以及每個彈性腱提供的回復力大小”決定的。

八足行走機械昆蟲

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圖4:八足機器人以及其前後關節運動方向示意圖/ ©Nemiroski 等, 2017

這個蜘蛛狀的機器人長60釐米,重150克。每條腿也有兩個自由度,與六足機械昆蟲類似。它的動作順序與上述機器人相同:將腳從地面移開,向前,向下移回地面,然後向後移動。但是,該機器人的結構和運動形式是不同的。

該機器人具有對稱的兩對前後腿,每條腿都包含一對相對於地面沿相同方向彎曲的關節(例如圖4中的A1和B1)。這些關節使機器人可以使用前腿腱將身體向前拉,並使用後腿向前推動身體。此外,還有兩對對稱的側腿,每條腿都包含一對相對方向為90 ̊的關節(例如圖4中的A2和B2)。內側處的關節(B2)使其可以向前和向後運動,而外側上的關節(A2)可以將腿移離地面以及放回地面。

八足行走機械昆蟲使用的步態可以將每個肢體分別致動到前進位置,然後將所有肢體同時向後移動。機械昆蟲的16個關節用套筒加固,這就意味著在關節內部連接了附加的管子,可以提供精確的制動控制和足以承擔機器人重量的支撐力。將第二組腱附接到中間的一對腿上,以提供附加的收縮力。

划船機械昆蟲

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圖5:划船機械昆蟲的示意圖,其中顯示了被致動的肢體和標有運動方向的關節/©Nemiroski等,2017

與之前的機器人不同,這款機械昆蟲透過浮力進行漂浮。划船機械昆蟲截面長50釐米,重25克,可以透過兩肢的划船運動在水面上進行滑動。密封每只腿的末端,並且在每只腳上塗一層薄薄的疏水性矽脂,以增加疏水性。動作順序仿照了水黽。中間的一對肢體主要執行划船動作,而前後腿則充當靜態支撐物,以提供水面上的浮力和穩定性。

在初始休眠狀態時,該機器人的關節沒有受到壓力,肢體向前放置,與水面接觸。對B1和B2關節加壓使兩肢向後移動,並向前推動身體。然後,對A1和A2加壓使兩肢運動,同時保持對B1和B2關節施壓。最後對所有關節停止施加壓力,肢體恢復到靜止休眠狀態(向前)。