機器之心報道
編輯：陳萍、小舟
小小機器人能量大爆發，身體如昆蟲一般大小，卻可以攜帶 22 倍于自身重量的物品，爬行、跳躍都不是問題。
高于自身幾倍的跳台，機器人一下子就跳上去了：
更高的高度也是可以的：
負重物前行：
這款機器人由來自康奈爾大學的研究者研發，該機器人長 29 毫米，重量僅爲 1.6 克，可以垂直跳躍 59 厘米，并且可以攜帶 22 倍（36 克）于自身重量的物品行走。相關論文《Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots》發表在 Science 上。
論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067
該研究利用内燃機解決了驅動小型機器人的問題。他們将甲烷蒸氣和氧氣注入燃燒室，再用微小火花點燃混合物。
不到半毫秒，腔室頂部像活塞一樣向上膨脹，每秒重複一百次的循環産生 9.5 牛頓的力。機器人的每條腿有兩個執行器驅動，這樣就得到了一個異常強大的軟體四足機器人。
爲該機器人每條腿提供動力的是兩個執行器，重量僅爲 325 毫克，大約是一美分硬币大小的四分之一。它們之所以如此小型，部分原因是大多數相關部件都在機外，包括燃料本身、混合和輸送燃料的系統以及火花發生器的電源。
該研究的項目負責人、康奈爾大學材料工程師 Robert Shepherd 表示：「執行器看起來就像一個鼓，它是一個空心圓柱體，頂部有彈性矽橡膠。爲了驅動執行器足以使機器人跳躍或爬行，我們将甲烷和氧氣流注入到每隻足中，并通過電池産生的電力産生火花。氣體之間發生反應形成水和二氧化碳，以小爆炸的形式釋放能量，導緻橡膠層變形，就像活塞一樣。」
Robert Shepherd 還表示：「微小的爆炸發生得如此之快，以至于沒有火焰來燃燒或損壞橡膠。但它們提供了相當大的推進力：機器人可以跳到 56 厘米高，并能承載 22 倍于自身重量的負載。」
方法介紹
該昆蟲機器人最大的特點就是執行器需要處理實際的爆炸。這是一個很大的挑戰，需要确保機器人在每次爆炸時不會自行燃燒。
執行器及其組件材料如下圖 ( A ) 所示，燃燒執行循環如下圖 ( B ) 所示。該執行器非常耐用，研究團隊估計它可以連續運行超過 750000 個循環周期（50Hz 下 8.5 小時），而不會出現任何性能下降。
執行器的性能主要受兩個因素影響：一個是驅動頻率 f，一個是燃料 - 氧化劑濃度 φ，φ 可以用如下公式描述：
下圖描述了執行器的性能與驅動頻率和燃料 - 氧化劑濃度的關系：
爲了深入研究機器人的運動機制，該研究構建了一個簡化的系統模型，其中考慮了幾個關鍵因素，包括矽橡膠膜（執行器膜）的彈性、電池内的燃料流動、燃料釋放的能量、壓力和溫度。使用這個模型，研究團隊可以預測執行器膜的位移值、執行器的阻擋力（blocked force）、機器人的跳躍高度，以及作爲驅動函數的排氣流率（exhaust flow rate）。
爲了證明微型執行器在驅動昆蟲級裝置方面的有效性，該研究設計并制造的由燃燒驅動的四足機器人如圖 3 ( A ) 所示。每個燃燒室都是獨立的，分别用來驅動前腳和後腳（圖 3 ( B ) ）。點火是通過火花來實現的，并導緻腔室兩端的彈性體膜膨脹（圖 3 ( C ) ( D ) ）。圖 3 ( E ) 顯示了機器人的腿和足的理想示意圖，并使用它來建模跳躍動力學。圖 3 ( F ) 建立了一系列驅動頻率下機器人跳躍高度的等效比函數模型。
下面爲機器人多步态功能的表征圖。機器人可以通過修改燃料比和火花頻率來切換運動方式。
參考鏈接：
https://spectrum.ieee.org/explosive-robot-insect
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adk0522
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02900-2
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