靠酒精驅(qū)動，88毫克的微型機(jī)器人可持續(xù)工作2小時
微型機(jī)器人可以在極為狹小的空間里運動，這是人類和傳統(tǒng)機(jī)器人無法做到的。但由于其體型過小，功率、控制力受限，目前的技術(shù)仍無法使其有效解決社會問題。
近日，來自南加州大學(xué)的研究人員發(fā)明了一款酒精驅(qū)動的微型昆蟲機(jī)器人，在解決微型機(jī)器人能量來源問題上提供了全新思路，朝著研發(fā)完全自主微型機(jī)器人的目標(biāo)邁進(jìn)了重要的一步。
該微型機(jī)器人的名稱為RoBeetle，不同于其他依靠電池或外接電線驅(qū)動的微型機(jī)器人，它的能量來源是甲醇。它長15毫米，質(zhì)量只有88毫克（大約相當(dāng)于三粒大米），卻可以拖運其自身重量2.6倍的物體。它能夠攜帶95毫克的燃料，燃料最多可以為其供電2個小時。
相關(guān)研究《An 88-milligram insect-scale autonomous crawling robot driven by a catalytic artificial muscle》8月19日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》上，主要作者為南加州大學(xué)航空航天與機(jī)械工程系助理教授Néstor O. Pérez-Arancibia和博士生Xiufeng Yang、Longlong Chang。
“電池的能量密度非常低，因此我們需要新的能量來源。我們制作的機(jī)器人又輕又小是因為它不依靠電池供能。”Néstor O. Pérez-Arancibia在接受New Scientist網(wǎng)站采訪時表示。
研究人員在論文中稱，大多數(shù)昆蟲的肌肉發(fā)達(dá)，這有利于它們進(jìn)行激烈的運動。同時，它們粗壯的身體有助于以脂肪和糖原的形式儲存能量。受此啟發(fā)，研究人員開發(fā)了可靠堅固的微型人工肌肉，可以像真實肌肉一樣收縮和放松。
覆蓋有鉑（Pt）粉的鎳鈦合金線的電子顯微鏡圖像
最值得關(guān)注的是，人工肌肉的能量來源是甲醇。以往微型機(jī)器人通常依靠電池或外接電線驅(qū)動，前者因為體積限制，其比能量往往很低（低于1.8MJ/kg），而后者則制約機(jī)器人的獨立性。甲醇在正常大氣壓下以液體形式儲存，能量是小型電池的10倍以上。這意味著利用甲醇驅(qū)動的微型機(jī)器人自主性更強(qiáng)，同時可以保持較小的體積。
該動力系統(tǒng)中的鎳鈦合金線表面覆蓋有鉑（Pt）粉，可以催化甲醇燃燒。燃燒產(chǎn)生熱量，使位于機(jī)器人腿部的電線縮短?；瘜W(xué)反應(yīng)停止后，電線冷卻，重新延伸，由此驅(qū)動RoBeetle運動。
為了驗證在甲醇驅(qū)動下機(jī)器人的運動性能，研究人員進(jìn)行了兩組實驗。
該機(jī)器人能輕松爬上傾斜角為5°和10°的斜坡，但在傾斜角度升至15°時失敗了
在爬坡實驗中，研究人員在傾斜的載玻片上放上了一張表面光滑的紙巾，然后調(diào)整斜面傾斜角度測試RoBeetle的爬坡能力。該機(jī)器人能輕松爬上傾斜角為5°和10°的斜坡，但在傾斜角度升至15°時失敗了。此外，因為液態(tài)甲醇具有粘性，傾斜角度對其在儲存箱里的分布可以忽略不計。
RoBeetle在粗糙程度不同表面上的爬行能力
在第二組實驗中，研究人員測試了RoBeetle在粗糙程度不同表面上的爬行能力。結(jié)果顯示，機(jī)器人可以在紙巾、泡沫表面爬行，但無法在光滑的玻璃表面爬行。同時，研究人員進(jìn)一步探究了RoBeetle的載物運輸能力，發(fā)現(xiàn)它可以拖運其自身重量2.6倍的物體。
研究人員在論文中表示，RoBeetle的動力設(shè)計可作為范例，用于研發(fā)能夠在水陸空運動的自主微型機(jī)器人。
Pérez-Arancibia表示，他們研制出的甲醇驅(qū)動人工肌肉作為該領(lǐng)域的重大突破，將使他們研發(fā)出第一個完全自動的微型飛行機(jī)器人。他們的下一步計劃是研究在RoBeetle工作時如何為其添加燃料，從而使機(jī)器人可以長時間持續(xù)工作。
此外，研究人員計劃對RoBeetle進(jìn)行編程，使操作者能與它進(jìn)行交互。如果成功了，RoBeetle將可以充當(dāng)人工授粉器，或者協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)。
不過，在同期的評論文章中，美國麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與人工智能實驗室博士后研究員Ryan L. Truby和哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后研究員李曙光認(rèn)為：“雖然RoBeetle是一個令人興奮的微機(jī)器人里程碑，但仍有改進(jìn)空間。”
評論指出，RoBeetle 的運動速度只有0.76 mm/s，比其它微機(jī)器人小得多。同時，該機(jī)器人只能向前運動，人們無法控制其轉(zhuǎn)向和速度。此外，研究人員放棄了傳統(tǒng)的電子控制器，這使機(jī)器人的功能升級更為困難，并且限制了外部控制與交互。
