2019年08月23日 | 机器人的设计是如何受到昆虫的启发

2019-08-23 来源：fqj

现代社会依靠机器人技术来发挥对工业制造系统的平稳运行以及建筑，医疗保健和运输等其他部门至关重要的各种功能。然而，大多数机器人的关键限制是它们仅能够执行一个重复任务，例如从箱中拾取物品并将其放置在传送带上或根据预设模式。

鉴于这一局限性，新兴的自适应机器人领域的研究人员正在关注如何使机器人更具适应性 - 并利用机械工程原理创造能够重新配置自身以实现多种不同功能的尖端设备。例如，用于检查能源基础设施（如海上石油平台或风力涡轮机）的多用途可以配备夹持技术，使其能够在结构上进行分析并在大风中进行更密切的分析 - 以及防水能力和推进技术使其能够在海面下进行基础检查。

那么什么样的机械工程技术和技术被用作这项工作的一部分？自适应机器人的关键当前和潜在应用是什么？在未来几年，我们可以期待在自适应机器人技术中使用机械工程系统的哪些创新和趋势？

该领域最近最有趣的举措之一是在科罗拉多州立大学（CSU），在那里，一组研究人员创建了许多小型轻型机器人，能够根据不同的用户要求重新配置自己。作为项目负责人，CSU自适应机器人实验室助理教授赵建国博士解释说，他在该领域的工作分为三大类，具体取决于所采用的驱动力。

首先是人造肌肉的重新配置，其中包括研究如何利用家用缝纫线制成的低成本人造肌肉来改变给定机器人的形状。这导致创建了一个链接，可以移动并保持另一个形状而无需额外的能量输入。第二类工作探讨了如何利用具有可变刚度的材料来重新配置给定机器人的功能 - 作为其中的一部分，博士生Jiefeng Sun建造了一种可以实现多条腿轨迹的自适应步行机器人。

第三类研究如何使用新颖的被动机制使飞行机器人能够在墙壁，或天花板上栖息。作为其中的一部分，博士生张海杰开发了一种配备柔顺和被动抓手的机器人。尽管有这些明显的优势，但赵承认，较小的机器人经常发现在许多环境中使用locomote更具挑战性。为了解决这个问题，他说最好为他们配备“多种运动能力”，例如步行，爬行，跳跃或飞行，使用每种功能的专用机制。

而不是依靠他们的腿，在倒置的位置他们的整个身体，点击甲虫跳跃。在这个被称为“身体屈曲”的阶段，昆虫储存能量，然后将它释放到一个几乎垂直的跳跃中 - 这个动作也有助于甲虫自身自我调整，如果它落入倒置位置。通过调查生物的物理学跳过，伊利诺伊州的团队能够开发出一种自动自动扶正机器人 - 尤其关注甲虫物种之间的比例定律以及昆虫质量比对其跳跃的影响。

通过使用高速摄像机拍摄甲虫，伊利诺伊州的团队发现他们的跳跃可以分为三个阶段：跳前阶段，起飞阶段和空降阶段。作为跳跃前阶段的一部分，昆虫弯曲身体并通过摩擦保持位置，同时储存能量。在仍然与地面接触的同时，它通过向上推动其质心来开始在起飞阶段释放能量。

在随后的空降阶段，随着单独的主体单元围绕质心旋转，它向空中追踪一个跟随弹道运动的整体轨迹。使用来自活甲虫视频的数据，Wissa和她的团队还开发了两种起飞阶段和空中阶段的动态模型。在起飞阶段，该生物也被建模为在铰接点处被驱动的滑块 - 曲柄机构 - 拉格朗日动力学被用作初步双质量模型的一部分，以模拟由观察到的旋转和平移运动。

即便如此，赵强调必须克服两个主要挑战才能实现自适应机器人。首先，需要加快重新配置过程以实现他所描述的“实时重新配置”。CSU机器人的重新配置过程通常需要几分钟才能完成，因为团队需要加热和冷却用于重新配置的组件。这是一个问题，因为在某些应用中，例如飞行机器人的变形机翼，机翼需要实时改变其形状以应对各种空气动力学情况。

其次，赵说研究人员仍然需要为自适应机器人建立一个基础和理论框架。“如果我们想要完成几个所需的配置，我们应该如何正确设计机器人以及指定重新配置策略？没有明确的答案这样一个高级别的问题。“

为了解决第一个挑战，赵解释说，研究人员可以利用需要更少能量来改变刚度的新材料，例如低熔点合金，它们在较低温度下从刚性状态变为柔软状态。为了解决第二个挑战，他揭示了学者可以开发理论框架来预测给定设计的所有可能的重新配置，然后“利用计算模拟来设计以实现所需的配置。”

“展望未来，我认为我们将能够在未来几年内完成具有各种功能的自适应机器人，例如步行，飞行，游泳或攀爬。这可以通过利用大量数字来实现由提供，用于自适应机器人的制造和各种机电一体化组件的小型化 - 例如，执行器和微控制器 - 以及具有异质材料的机械系统的高保真模拟，尤其适用于软机器人由软材料制成，“他补充道。

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