敏捷多模态微型机器人：独特的被动变形轮设计

大家好！今天来了解一种微型机器人——《An agile multimodal microrobot with architected passively morphing wheels》发表于《SCIENCE ADVANCES》。这个微型机器人，具有独特的设计和卓越的性能。它带有被动变形轮子，这种轮子的设计灵感源自生物结构，具备独特的工作原理。它集成了多种优势，拥有多模态运动能力，在多个领域展现出巨大的应用潜力，接下来让我们一起深入探究。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与创新点

（一）微型机器人的应用与挑战

微型机器人（长度<15cm，质量<20g）能够进行多模态运动，在检测、探索、救援和生物医学等多个领域都有着潜在的应用价值（可在多种地形上跳跃、爬行和行走的无缆多模态微型机器人）。

然而，要在单个微型机器人中同时实现优秀的机动性、低功耗和高鲁棒性是具有挑战性的。现有的方法包括配备可变形体（如光驱动软微型机器人）和组合不同驱动组件（如混合空中-水生微型机器人），但都存在一定的局限性。

（二）本文创新点

本文提出了一种新颖的设计，即基于犰狳装甲结构启发的被动变形轮的架构设计。这种轮子能够依靠生物启发的触手结构的不对称弯曲刚度，在不同的滚动方向上稳定在不同的几何构型。通过将这种被动变形轮与电磁电机和柔性体集成，开发出了一种高度紧凑、轻量的多模态微型机器人。

二、多模态微型机器人设计

（一）整体结构

该微型机器人由两个被动变形轮、两个电磁电机、一个支撑轮和一个柔性体（图案化柔性印刷电路板FPCB）组成，整体长度约为32mm，质量约为4.74g。

（二）被动变形轮设计

1.结构特点

被动变形轮配备了独特的触手结构，灵感来源于犰狳的装甲结构。这些触手结构由两种弹性模量不同的材料制成，T形块的弹性模量为1362MPa，柔性膜的弹性模量为0.536MPa，整个轮子通过数字多材料三维打印技术制造。

2.工作原理

在运动过程中，触手会呈现出三种典型状态：收缩状态、伸展状态和中间状态。当轮子顺时针滚动时，触手由于低弯曲刚度而附着在轮体上，此时T形块相互分离，对应触手收缩状态；当轮子逆时针滚动时，T形块相互接触，弯曲刚度大幅增加，对应触手伸展状态。这两种状态可以通过简单地控制轮子的旋转方向可逆地切换，中间状态则是在这两种状态转换过程中的过渡状态。

3.力学性能量化

为了量化轮子的力学性能，引入了触手的等效弯曲刚度（EI）。通过有限元分析（FEA）和实测数据表明，触手伸展状态的等效弯曲刚度是收缩状态（或中间状态）的17倍以上。

（三）基于生物启发的触手结构设计方法

1.理论模型

基于梁理论开发了一个理论模型，用于预测触手沿顺逆时针方向的弯曲变形。触手的初始形状可以由六个几何参数描述，包括触手宽度（t）、柔性膜厚度（h）等。

2.弯曲变形分析

定义了等效曲率来分析弯曲变形，通过研究不同触手设计的弯曲力矩（M）和等效曲率（k）的关系，发现M-k曲线近似双线性，这是由于T形块的接触导致了不同的等效弯曲刚度（EI）。

3.参数研究与设计建议

通过参数研究，分析了薄膜厚度（h）和触手宽度（t）等参数对M-k曲线的影响。

为了实现不同的运动步态，建议采用低EI₁以保证滚动步态的稳定和快速，同时采用高EI₂以确保在爬行/攀爬步态时能够成功越过障碍，并且需要有较高的刚度比EI₂/EI₁。通过选择合适的参数，可以在较大范围内调整刚度比。

4.关键曲率与几何构型确定

由理论模型得出了临界曲率kcritical，它决定了触手伸展状态的几何构型，并且受到四个几何参数（a,q,c,L）的影响。

5.逆设计方法

基于上述理论模型进行逆设计，通过选择合适的几何参数来实现触手伸展状态的期望构型。给出了三个目标曲线示例（椭圆弧、双圆形曲线和多项式曲线），实验结果与目标曲线的几何构型吻合良好，验证了逆设计方法的有效性。

三、微型机器人性能测试

（一）运动步态与性能

1.三种步态

由于独特的被动变形轮设计，微型机器人具有滚动、爬行、攀爬三种步态，分别由电磁电机的不同旋转方向实现。

2.性能比较

速度与能耗：在平坦表面（如牛皮纸）上，滚动步态的最大速度可达21.2BL/s，成本运输（COT）约为89；而爬行步态的最大速度仅为0.94BL/s，COT约为635。

稳定性：滚动步态运动时轮子中心点的垂直坐标波动较小，比爬行步态更稳定快速。

转向性能：引入相对向心加速度（ar）来量化转向灵活性。在滚动步态下，随着右电机脉冲频率的增加，可达206.9BL/s。

步态切换：从滚动到爬行步态的切换需要约1.99s，从爬行到滚动步态的切换约需1.62s。

（二）不同地形适应性

1.斜坡

基于滚动步态，微型机器人可以在0.44s内爬上30°的斜坡，通过结合附加的由PDMS制成的adhesive layer，甚至可以爬上60°的斜坡。

2.隧道

当遇到高度受限的隧道（如高度为18mm的隧道）时，滚动步态可以使轮子直径变小，从而使机器人能够通过，而爬行步态可能因高度限制无法通过。

3.不平坦地形

在有砾石的粗糙地面和沙地等不平坦地形上，爬行步态比滚动步态更稳定。例如在有砾石的粗糙地面（砾石特征尺寸为8-12mm）上，滚动步态容易卡住，而爬行步态可以稳定通过；在倾斜（15°和30°）的沙地上，爬行步态也比滚动步态更稳定快速。

4.楼梯

攀爬步态可以使机器人爬上楼梯，平均速度约为12.4mm/s（0.39BL/s）。对于更高的楼梯（如步高为15mm的楼梯），需要采用更大的变形轮。

（三）鲁棒性测试

微型机器人展现出了良好的鲁棒性。它能够承受约14.55kg的压缩载荷（约为自身重量的3070倍），在被这样的重物按压后，仍能基于滚动步态迅速恢复并继续移动（见图3J）。

此外，从604mm高处落下后（高度约为自身的40.3倍），机器人落地时速度为3120mm/s，仍能调整姿势继续前进。

并且在携带1g和2g有效载荷时，也能够成功穿越各种地形，同时保持运动速度、灵活性和地形适应性的优势。

（四）混合地形运动

微型机器人在混合地形中也表现出了良好的导航能力。例如在包含平坦土地、楼梯和有砾石的粗糙土地的复杂环境中，机器人的运动过程可以分为五个阶段。在这个过程中，采用了三种不同的脉冲率（f1 = 1.14Hz，f2 = 7.55Hz，f3 = 15.09Hz），展示了机器人在不同地形之间切换运动模式的能力。

（五）与其他微型机器人比较

通过比较COT与运动速度以及相对向心加速度与身体尺寸，可以看出本微型机器人在运动速度和相对向心加速度方面表现突出，COT也接近许多昆虫，整体性能优于其他同类微型机器人。

四、无缆多模态微型机器人

（一）设计与组成

无缆多模态微型机器人由两个电池（3.7V，35mAh）、FPCB柔性体、两个被动变形轮、一个支撑轮和两个电机组成，尺寸为32mm×37mm，质量为6.40g。柔性体上配备了微控制器单元（MCU）、步进电机驱动芯片和红外传感器，以实现无线控制。

（二）性能测试

该无缆微型机器人最大运动速度为4.78BL/s，相对向心加速度为12.42BL/s²，能够适应如倾斜8°的沙地、有砾石的粗糙表面等复杂环境。

五、讨论与展望

本文提出的被动变形轮设计概念独特，所开发的微型机器人具有高运动速度、低功耗、优秀的灵活性和高鲁棒性等优点，无缆版本也展示出了良好的性能。未来的研究可以进一步集成各种传感组件（如温度、气体、振动、力传感器等），实现基于人工智能的自主决策和环境识别，并且纳入其他运动模式（如跳跃和水陆两栖运动模式），以拓展微型机器人的应用领域。

六、一起来做做题吧

1、微型机器人在多模态运动方面面临的主要挑战不包括以下哪项？

A. 优秀机动性与高鲁棒性难以平衡

B. 无缆化设计困难

C. 形状变形和维持变形配置需额外功耗

D. 微型化困难

2、被动变形轮的触手结构在顺时针滚动时呈现哪种状态？

A. 触手伸展状态

B. 触手收缩状态

C. 中间状态

D. 随机状态

3、用于量化触手弯曲变形的是以下哪个参数？