《科学》子刊：喝“假酒”，干重活的机器人来了
来源：机器之心
机器人通常使用电池或插座供电，但一款名为“RoBeetle”的机器人却有点不同。这种和昆虫一般大小的微型机器人，重量不足1克，却能拖运自身重量2.6倍的物体。最特别的是，它是依靠甲醇来供能的。
甲醇是一种常见于溶剂和防冻剂中的有机化合物(假酒伤人的成分之一)。像甲醇这样的液体燃料，每单位体积所提供的能量会比电池更多，这就意味着甲醇驱动的微型机器人不再需要附加外部电源，比如电线、电磁场。从理论上讲，这种机器人比电力驱动的同类拥有更多的自主权，同时又能保持很小的尺寸。
在最新一期的《科学·机器人》中，来自南加州大学的研究者向公众介绍了这款名为“RoBeetle”的机器人。他们设计了可以像真实物体一般收缩和放松的微型人造肌肉，并且使用覆盖有铂粉的镍钛合金线加快甲醇蒸汽的燃烧。这一过程产生的热量会导致机器人腿部的电线缩短，待冷却后重新伸展，以此驱动RoBeetle的运动。
RoBeetle重量仅有88毫克，能够拖运自身重量2.6倍的物体。它可以额外携带95毫克的燃料，续航时间长达2个小时。RoBeetle拥有爬坡技能，并且可以在不同纹理的表面行进，包括玻璃、泡沫睡垫、混凝土人行道。
在未来的研究中，研究者需要进一步探索如何实现机器人的燃料添加功能，从而在更长的时间内持续供能。此外，如果能够对RoBeetle进行编程并实现与操作者通信，那么这款机器人还能用于人工授粉或协助手术等更多场景。
论文链接：https：//robotics.sciencemag.org/content/5/45/eaba0015
RoBeetle技术详解
用于微型机器人驱动的催化人造肌肉
为了创建能够驱动昆虫大小爬虫机器人的2H微致动器，研究者将燃料的HEDs(下图1A)和SMAs的HWDs(下图1B)结合起来。
图1：实现微致动的能量源和致动方法。图1：实现微致动的能量源和致动方法。
致动机制的核心组件是下图2A中的人造肌肉，它包含一个镍钛合金核(NiTicore)和一个凝集铂(Pt)粉的外催化层。在操作过程中，复合线材(compositewire)的SMA核心被催化表面上燃料的可控催化燃烧所产生的热量激活。
下图2C至2E为NiTi-Pt复合线材表面的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，SEM)图像，它们是通过在《MaterialsandMethods》以及下图S1中描述的方法生成的。
下图2F展示了确定的主回路和两个副回路，其中应力为164MPa，并与驱动RoBeetle原型的9.8mm长NiTi-Pt线连接。主回路指的是加热冷却回路，在这个过程中，SMA材料完成了从马氏体状态(martensiticstate)到奥氏体状态(austeniticstate)的完全相变，然后又完全地回归马氏体状态。
图2：催化人造肌肉。图2：催化人造肌肉。
图S1：NiTi-Pt复合线材的制作过程。图S1：NiTi-Pt复合线材的制作过程。
设计原理DesignofRoBeetle
为了验证2HNiTi-Pt致动器的性能，研究者创建了自动RoBeetle的原型，具体如下图3A所示。RoBeetle通过基于可变摩擦的运动方式来实现爬行。但是，本研究提出的致动方法可以赋能一系列微型机器人平台，进而实现机器人的行走、跳跃、游泳和飞翔动作。
下图3B展示了致动、感知和反馈控制的联合机制;图3C至3H展示了实现自主操作所需的所有组件，包括NiTi-Pt复合线材、MCM以及燃料箱和其他结构构件。
图3：RoBeetle的设计原理。图3：RoBeetle的设计原理。
就功能而言，这些组件分为以下四类：
第一类包含构成RoBeetle躯干的组件，即存储甲醇的燃料箱(图3C和3D);
第二类由MCM组件组成，即燃料舱盖和滑动闸板(图3E);
第三类由构成致动机制的组件组成，包括NiTi-Pt线和传动装置(图3E)、叶片弹簧(图3C和3G)、以及用于安装叶片弹簧的两个喇叭状静态臂和支撑复合线的后锚块夹具(图3C);
第四类由带爪的仿生微型机械腿组成，它们能够诱发各向异性摩擦，进而模拟亚种群甲虫Pachnodamarginataperegrina的摩擦机制。
实验
系留固定实验
为了获取适合MCM设计的参数，该研究使用了多个RoBeetle原型来进行一系列系留实验。
具体来说，研究者测量了与微型机器人操作相关的最相关变量，包括NiTi-Pt线的表面温度和产生的自振荡致动应变，如下图4所示。
图4：用于测试RoBeetle原型特性的系留固定实验。图4：用于测试RoBeetle原型特性的系留固定实验。
自主运动
为了验证提出的致动方法并探究RoBeetle原型的运动性能，研究者进行了两种类型的实验：静止(stationary)条件和平缓移动条件下的自主爬行。这两个实验旨在根据平均爬行速度来突出最坏和最佳情况下的操作条件。
下图5A中展示了第一类运动测试的实例，图5B展示了第二类运动测试的实例。与这两个测试相对应，机器人位置随时间变化的情况如图5C所示。
操作过程中，机器人后腿爪部到前腿爪部的距离随着人造肌肉的收缩呈现周期性增加，同时随着人造肌肉的延伸而距离缩小。
图5：该机器人在两种环境条件下的自主运动。图5：该机器人在两种环境条件下的自主运动。
功能和运动性能
从最基本的导航角度来看，自主地面机器人必须能够爬坡、运载有效载荷并在各种不同的表面上运动。因此，为了评估RoBeetle的功能，研究者进行了进一步的实验。
首先是坡道攀爬，下图6A至6C展示了RoBeetle分别在倾斜度为5°、10°和15°的斜坡上爬行的样子。RoBeetle原型可以轻松地在5°和10°的坡度上攀爬，但在15°倾斜度上攀爬的时候出现了下滑。与在水平面上相比，测得的相应速度如下图6D所示。
图6：在不同的实验设置下的运动及其达到的速度。图6：在不同的实验设置下的运动及其达到的速度。
有效载荷行进演示
研究者演示了RoBeetle携带有效载荷的能力，并展示了机器人执行简单自动化任务时与环境的交互，具体如下图7所示：
图7：机载射频识别芯片实现了机器人与环境的交互。图7：机载射频识别芯片实现了机器人与环境的交互。
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