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導語：下次看到快速移動的"小強"不要慌，這可能是幫你工作的 HAMR- Jr 微型機器人！
智東西 6 月 5 日消息，近日，哈佛大學研究人員新研發了一種不足一分硬幣大小的微型機器人 HAMR-Jr，它是 HAMR 機器人的縮小版本。這款新的微型機器人以蟑螂為原型，可以跑、跳、搬運物體，甚至可以翻動硬幣。
HAMR-Jr 證實了通過摺疊組裝方式，來縮小複雜機器人規模的技術是可行的。它是世界上最靈巧的微型機器人，速度能比過世界上跑得最快的昆蟲，而且將可搬運達到自重 10 倍的物體。
近年來，人們對微型機器人越來越感興趣。機器人技術研究人員表示，這些機器人在搜救、高價值資產檢查、環境監測甚至醫藥領域具有巨大的社會和經濟影響潛力。
微、中尺度製造技術的發展使得建造和操作微型機器人的新技術成為可能。然而，現有的大多數昆蟲級機器人往往身體規劃簡單，智能有限，缺乏基本運動之外的動力和自主控制能力。
在這個情況下，一種更精細、小巧靈活、移動速度又快的四足微型機器人誕生了，它就是哈佛的移動微型機器人 HAMR。而近日研究人員針對該機器人進行再升級，縮小了這個機器人的尺寸，並將 HAMR 的微型版本機器人稱為 HAMR- Jr。
一、縮小機器人尺寸不影響性能
HAMR- Jr 是由哈佛大學 John A. Paulson 工程和應用科學學院 ( SEAS ) ，以及哈佛威斯（Wyss）生物啓發工程研究所的研究人員開發的，它的體積只有上一代 HAMR 的一半大小，而重量不到 HAMR 的四分之一。
▲新設計的 HAMR-Jr 及其前身 HAMR
只有一分錢硬幣大小的 HAMR-Jr 幾乎擁有其前身 HAMR 所能執行的全部功能，這也是迄今為止最為靈巧的微型機器人之一。
SEAS and Wyss 研究所的前博士後研究員、這篇論文的第一作者 Kaushik Jayaram 説："大多數的微型機器人設計得都非常簡單，只顯示出基本的移動能力，而我們已經證明，無需為了控制大小而犧牲機器人的靈活性。"
這項研究在設計時面臨的最大問題是，用於製造 HAMR 和其他版本的微型機器人的彈出式製造過程，是否可以適用於從微型外科機器人到大型工業機器人間不同規模的機器人。
從以往的研究看來，縮小機器人的比例確實會改變控制步長和關節的機制，因此研究人員還開發了一個模型，這一模型可以根據機器人的目標尺寸預測運動指標，比如跑步速度，腳力和有效載荷，然後使用該模型來設計相應所需規格的系統。
SEAS and Wyss 研究所工程與應用科學教授、該論文的合著者 Charles River 表示："這個新機器人的研發，表明無論是在理論還是實踐層面，我們已經很好地掌握了使用摺疊組裝的方式，來縮小複雜機器人規模的技術。"
在印刷電路微電子機械系統（PC-MEMS）的製造過程中，機器人的組件被蝕刻到一個二維的薄片上，然後以三維的結構彈出。
為了建造 HAMR-Jr，研究人員縮小了機器人組件的二維平面設計，連同將執行器和板載裝置一起縮小，由此創建出一個與 HAMR 功能相同，但體積更小的機器人。
▲帶有組件標記的 HAMR-Jr 透視圖
▲ HAMR-Jr 側視圖
Jayaram 説："這項工作的巧妙之處在於，我們不需要改變以前的設計。並且這項研究的成功證明了我們的設計過程可以應用於各種尺寸的設備。"
二、HAMR-Jr 體積小似一便士硬幣，速度比過世上最快澳洲甲蟲
HAMR-Jr 身長 2.25 釐米，重約 0.3 千克，不僅大小像一便士硬幣，其重量甚至只有一便士硬幣的幾分之一。
壓電驅動器可以以每秒近 14 個體長（30 釐米）的速度，200Hz 的步態頻率驅動它。甚至步態頻率理論上可進一步加速至超過 280Hz，而受共振最佳點影響，其實際呈現出的頻率一般會減速至 200Hz 以上。因此它不僅是最小的機器人之一，而且還是速度最快的微型機器人之一。
▲ HAMR Jr. 每秒可以運行約 14 個身體長度，使其不僅是最小的機器人之一，而且還是最快的微型機器人之一
值得注意的是，即使最快的有腿昆蟲也無法達到 200Hz 的步態頻率。以每秒跨越體長個數計算速度的話，世界上最快的澳洲甲蟲無法達到 HAMR-Jr 的速度，只有加利福尼亞芝麻大小的一種蟎蟲的行進速度才可以和 HAMR-Jr 相近。
▲ HAMR-Jr 變速器（右後腿）原理圖，左下角的插圖為一個柔性關節的示意圖
三、HAMR-J 有效荷載能力不斷升級有望超自身質量 10 倍
這個新的微型機器人可以小跑、俯卧、跳躍，還可以像螃蟹一樣橫向移動。當有效載荷達到其自身質量（320 毫克）時，機器人的性能不會有太大變化，這便很好地證明了機器人內部電池和傳感器等的有效載荷的能力。
▲ HAMR-Jr 活動圖示
此外，還有一些探索性的測試表明，一種新的剛性結構可以讓 HAMR-Jr 的有效載荷至少達到 3.5 克。
而在設計這款微型機器人的過程中，研究人員遇到的困難主要在於兩方面。
一方面是，裝配過程中材料、幾何性能或膠水的微小變化都會對機器人的性能產生重大影響。此外，在顯微鏡下處理小而零碎的零件和摺疊它們需要很大的耐心，還需要手指保持靈活。
另一方面，研究人員為保持 HAMR 的運動性能做了大量努力，畢竟它們讓機器人腿的運動頻率在陸地生物系統中沒有參考模板，而且對這種高步頻下的運動力學沒有先驗的概念。
研究人員表示，像 HAMR 這樣的小型機器人未來主要會應用於 4 個領域：由於其小巧敏捷，可用於搜救和救援；其高度自治的特點可用來進行工業檢查；因為它具有伸縮性，可以用來協助環境監測；由於這種機器人的大小可擴展，因此也可以用於醫學。
論文中還提到，在這一系列機器人的下一款迭代中，可以調整腿的擺動自由度以加大步伐，從而提高運動速度。此外，還會增強機器人的有效載荷能力，使其至少能夠攜帶超過它自身重量 10 倍的物體。他們的目標是通過吸收大自然動物形態的多樣性，最終能造出大小不一、功能強大的微型機器人。
結語：微型機器人技術再刷新，小體積高靈活度可用於醫療等多領域
微型機器人的發展依賴於微加工工藝、微傳感器、微驅動器和微結構四個方面。微型機器人和超微型機器人已逐步形成一個牽動眾多領域向縱深發展的新興技術，它的影響力度非常高。
以蟑螂為原型，研究人員研發了小巧靈活，而又有工作能力的動態微型機器人 HAMR- Jr。小體積在工作中用處頗多，比如深入建築中因坍塌而造成的縫隙中，還可以協助醫療，在微小的動脈上進行慎重操作。由此可見，微型機器人技術通過不斷升級，可在社會中的更多領域發揮作用。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2003.03337
消息來源：Tech Xplore、IEEE Spectrum