螃蟹机器人：小到可以站在硬币的边缘？
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微型机器人工程师的灵感来源经常是大自然。美国西北大学的工程师们创造了有史以来最小的遥控步行机器人（螃蟹机器人）——甚至比跳蚤还小。据悉，螃蟹机器人可以“行走、弯曲、扭曲、转弯和跳跃”，可能预示着微型机器人新时代的开始。根据这项研究的首席研究员John A. Rogers的说法，他们的工作补充了正在研究毫米级机器人的其他科学家的工作，例如，可以通过鞭毛在液体介质中移动的蠕虫状结构。但据他所知，他们的螃蟹微型机器人是最小的陆地机器人，只有半毫米宽，可以在户外的固体表面行走。这台小型机器不是由小型化硬件和电子设备驱动，而是由一种在加热时会变形的形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）材料驱动。Rogers表示：“所以，你可以在初始状态中创建材料，使其变形，然后经过加热，它还可以回到初始几何体。我们利用形状变化作为机械执行器等。”
该机器人包括三种关键材料：一种用于身体和四肢部分的电子级聚合物；SMA，形成“主动”组件；另外还有一层薄薄的玻璃作为外骨骼，使结构具有刚性。Rogers补充说，他们不受这些特殊材料的限制，然而，他的团队正在寻找集成半导体材料和其他类型导体的方法。对于移动，研究人员使用激光束的焦点照射在机器人身上。Rogers说：“每当激光束照射到机器人的形状记忆合金部件时，就会诱发（它的）相变和相应的运动，当激光束移开时，会得到快速冷却，肢体就会恢复到变形的几何体。”因此，扫描机器人身体上的激光光斑可以依次激活各种关节，从而建立步态和运动方向。虽然这种方法有其优点，不过，Rogers仍希望探索更多的选择。他表示：“有了激光，你需要某种光学通道……（但取决于）你想让机器人在哪里操作，这种方法是否可行。”这不是Rogers第一次参与制造亚毫米级机器人。他的实验室已经开发出了类似蠕虫和甲虫的微小结构，甚至还开发出了一种可以在空气中被动移动的有翼微芯片，其原理与种子的风力传播相同。2015年，Rogers和他的同事还发表了一篇论文，介绍了如何利用日本剪纸艺术kirigami的概念来设计机器人。他们使用由硅片支撑的高保真多层图案化材料堆，尽管这些对集成电路很好，但Rogers表示，它们“对机器人没有好处”，因为它们是扁平的。为了将他们带入第三维度，研究kirigami的原理是一个起点。正如Rogers强调的那样，他们的研究目前纯粹是探索性的，试图在微型机器人工程中引入一些额外的想法。“我们可以移动这些机器人，让它们朝不同的方向行走，但它们不会执行特定的任务，”他说，“例如，尽管螃蟹机器人有爪子，但这些爪子只是为了视觉目的，它们不会移动或抓取物体。创建任务执行能力将是这一领域研究的下一步。”然而，就目前而言，制作多材料3D结构和使用SMAs进行双向驱动是他的团队对更广泛社区做出贡献的两个关键部分。为了进一步探索，他和他的同事正在考虑如何增加在这种规模下抓取或操纵物体的能力，以及在机器人上增加微电路、数字传感器和无线通信。例如，机器人之间的通信可以让它们作为一个群体进行操作。另一个需要研究的领域是添加某种局部电源，例如，由光伏供电，并配有微控制器，以按定时顺序提供局部加热，以控制移动。就潜在应用而言，Rogers设想微型机器人可用于在密闭空间工作，主要用于微创手术，其次是用于制造其他微型机器的车辆。但他也提倡谨慎：“我不想夸大我们所做的一切。这令人很容易陷入幻想，幻想这些机器人进入身体来做一些强大的医疗工作。不过，这正是我们想要达到的目标，也是我们工作的动力所在。”
文章来源： IEEE电气电子工程师
IEEE Spectrum
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