機(jī)器人的設(shè)計(jì)是如何受到昆蟲的啟發(fā)

現(xiàn)代社會(huì)依靠機(jī)器人技術(shù)來(lái)發(fā)揮對(duì)工業(yè)制造系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行以及建筑，醫(yī)療保健和運(yùn)輸?shù)绕渌块T至關(guān)重要的各種功能。然而，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵限制是它們僅能夠執(zhí)行一個(gè)重復(fù)任務(wù)，例如從箱中拾取物品并將其放置在傳送帶上或根據(jù)預(yù)設(shè)模式鉆孔。

鑒于這一局限性，新興的自適應(yīng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究人員正在關(guān)注如何使機(jī)器人更具適應(yīng)性 - 并利用機(jī)械工程原理創(chuàng)造能夠重新配置自身以實(shí)現(xiàn)多種不同功能的尖端設(shè)備。例如，用于檢查能源基礎(chǔ)設(shè)施（如海上石油平臺(tái)或風(fēng)力渦輪機(jī)）的多用途無(wú)人機(jī)可以配備夾持技術(shù)，使其能夠在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析并在大風(fēng)中進(jìn)行更密切的分析 - 以及防水能力和推進(jìn)技術(shù)使其能夠在海面下進(jìn)行基礎(chǔ)檢查。

那么什么樣的機(jī)械工程技術(shù)和技術(shù)被用作這項(xiàng)工作的一部分？自適應(yīng)機(jī)器人的關(guān)鍵當(dāng)前和潛在應(yīng)用是什么？在未來(lái)幾年，我們可以期待在自適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)中使用機(jī)械工程系統(tǒng)的哪些創(chuàng)新和趨勢(shì)？

該領(lǐng)域最近最有趣的舉措之一是在科羅拉多州立大學(xué)（CSU），在那里，一組研究人員創(chuàng)建了許多小型輕型機(jī)器人，能夠根據(jù)不同的用戶要求重新配置自己。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，CSU自適應(yīng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室助理教授趙建國(guó)博士解釋說(shuō)，他在該領(lǐng)域的工作分為三大類，具體取決于所采用的驅(qū)動(dòng)力。

首先是人造肌肉的重新配置，其中包括研究如何利用家用縫紉線制成的低成本人造肌肉來(lái)改變給定機(jī)器人的形狀。這導(dǎo)致創(chuàng)建了一個(gè)鏈接，可以移動(dòng)并保持另一個(gè)形狀而無(wú)需額外的能量輸入。第二類工作探討了如何利用具有可變剛度的材料來(lái)重新配置給定機(jī)器人的功能 - 作為其中的一部分，博士生Jiefeng Sun建造了一種可以實(shí)現(xiàn)多條腿軌跡的自適應(yīng)步行機(jī)器人。

第三類研究如何使用新穎的被動(dòng)機(jī)制使飛行機(jī)器人能夠在墻壁，電線或天花板上棲息。作為其中的一部分，博士生張海杰開發(fā)了一種配備柔順和被動(dòng)抓手的機(jī)器人。盡管有這些明顯的優(yōu)勢(shì)，但趙承認(rèn)，較小的機(jī)器人經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在許多環(huán)境中使用locomote更具挑戰(zhàn)性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，他說(shuō)最好為他們配備“多種運(yùn)動(dòng)能力”，例如步行，爬行，跳躍或飛行，使用每種功能的專用機(jī)制。

而不是依靠他們的腿，在倒置的位置彎曲他們的整個(gè)身體，點(diǎn)擊甲蟲跳躍。在這個(gè)被稱為“身體屈曲”的階段，昆蟲儲(chǔ)存能量，然后將它釋放到一個(gè)幾乎垂直的跳躍中 - 這個(gè)動(dòng)作也有助于甲蟲自身自我調(diào)整，如果它落入倒置位置。通過(guò)調(diào)查生物的物理學(xué)跳過(guò)，伊利諾伊州的團(tuán)隊(duì)能夠開發(fā)出一種自動(dòng)自動(dòng)扶正機(jī)器人 - 尤其關(guān)注甲蟲物種之間的比例定律以及昆蟲質(zhì)量比對(duì)其跳躍的影響。

通過(guò)使用高速攝像機(jī)拍攝甲蟲，伊利諾伊州的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的跳躍可以分為三個(gè)階段：跳前階段，起飛階段和空降階段。作為跳躍前階段的一部分，昆蟲彎曲身體并通過(guò)摩擦保持位置，同時(shí)儲(chǔ)存能量。在仍然與地面接觸的同時(shí)，它通過(guò)向上推動(dòng)其質(zhì)心來(lái)開始在起飛階段釋放能量。

在隨后的空降階段，隨著單獨(dú)的主體單元圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，它向空中追蹤一個(gè)跟隨彈道運(yùn)動(dòng)的整體軌跡。使用來(lái)自活甲蟲視頻的數(shù)據(jù)，Wissa和她的團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了兩種起飛階段和空中階段的動(dòng)態(tài)模型。在起飛階段，該生物也被建模為在鉸接點(diǎn)處被驅(qū)動(dòng)的滑塊 - 曲柄機(jī)構(gòu) - 拉格朗日動(dòng)力學(xué)被用作初步雙質(zhì)量模型的一部分，以模擬由觀察到的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。

即便如此，趙強(qiáng)調(diào)必須克服兩個(gè)主要挑戰(zhàn)才能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)機(jī)器人。首先，需要加快重新配置過(guò)程以實(shí)現(xiàn)他所描述的“實(shí)時(shí)重新配置”。CSU機(jī)器人的重新配置過(guò)程通常需要幾分鐘才能完成，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)需要加熱和冷卻用于重新配置的組件。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵谀承?yīng)用中，例如飛行機(jī)器人的變形機(jī)翼，機(jī)翼需要實(shí)時(shí)改變其形狀以應(yīng)對(duì)各種空氣動(dòng)力學(xué)情況。

其次，趙說(shuō)研究人員仍然需要為自適應(yīng)機(jī)器人建立一個(gè)基礎(chǔ)和理論框架。“如果我們想要完成幾個(gè)所需的配置，我們應(yīng)該如何正確設(shè)計(jì)機(jī)器人以及指定重新配置策略？沒有明確的答案這樣一個(gè)高級(jí)別的問(wèn)題?！?/p>

為了解決第一個(gè)挑戰(zhàn)，趙解釋說(shuō)，研究人員可以利用需要更少能量來(lái)改變剛度的新材料，例如低熔點(diǎn)合金，它們?cè)谳^低溫度下從剛性狀態(tài)變?yōu)槿彳洜顟B(tài)。為了解決第二個(gè)挑戰(zhàn)，他揭示了學(xué)者可以開發(fā)理論框架來(lái)預(yù)測(cè)給定設(shè)計(jì)的所有可能的重新配置，然后“利用計(jì)算模擬來(lái)合成設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)所需的配置?！?/p>

“展望未來(lái)，我認(rèn)為我們將能夠在未來(lái)幾年內(nèi)完成具有各種功能的自適應(yīng)機(jī)器人，例如步行，飛行，游泳或攀爬。這可以通過(guò)利用大量數(shù)字資料來(lái)實(shí)現(xiàn)由3D打印提供，用于自適應(yīng)機(jī)器人的制造和各種機(jī)電一體化組件的小型化 - 例如傳感器，執(zhí)行器和微控制器 - 以及具有異質(zhì)材料的機(jī)械系統(tǒng)的高保真模擬，尤其適用于軟機(jī)器人由軟材料制成，“他補(bǔ)充道。