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昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

重新报道了机器之心编辑:陈萍、小舟小小机器人能量大爆发,身体如昆虫一般大小,却可以携带22倍于自身重量的物品,爬行、跳跃都不是问题。高于自身几倍的跳台,机器人一下子就跳上去了:更高的高度也是可以的:负重前行:这个机器人是由康奈尔大学的研究人员研发的。它的尺寸为29毫米,重量仅为1.6克。它可以垂直跳跃59厘米,并且能够携带重量是自身重量的22倍(36克)的物品行走。这项研究发表在《Science》杂志上,论文名为《强大而柔软的燃烧驱动器用于昆虫大小的机器人》请点击以下链接查看论文:https://www.

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    重新报道了机器之心

    编辑:陈萍、小舟

    小小机器人能量大爆发,身体如昆虫一般大小,却可以携带 22 倍于自身重量的物品,爬行、跳跃都不是问题。

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    高于自身几倍的跳台,机器人一下子就跳上去了:

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    更高的高度也是可以的:

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    负重前行:

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    这个机器人是由康奈尔大学的研究人员研发的。它的尺寸为29毫米,重量仅为1.6克。它可以垂直跳跃59厘米,并且能够携带重量是自身重量的22倍(36克)的物品行走。这项研究发表在《Science》杂志上,论文名为《强大而柔软的燃烧驱动器用于昆虫大小的机器人》

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    请点击以下链接查看论文:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067

    这项研究通过使用内燃机来解决小型机器人的驱动问题。研究人员将甲烷蒸气和氧气注入燃烧室,然后通过微小的火花点燃混合物

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    不到半毫秒,腔室顶部像活塞一样向上膨胀,每秒重复一百次的循环产生 9.5 牛顿的力。机器人的每条腿有两个执行器驱动,这样就得到了一个异常强大的软体四足机器人。

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    为了给这个机器人的每条腿提供动力,有两个执行器,它们的重量只有325毫克,大约是一美分硬币大小的四分之一。它们之所以如此小巧,部分原因是大多数相关部件都在机器人的外部,包括燃料本身、混合和输送燃料的系统,以及火花发生器的电源

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    该研究的项目负责人、康奈尔大学材料工程师Robert Shepherd表示:“执行器看起来就像一个鼓,它是一个空心圆柱体,顶部有弹性硅橡胶。为了驱动执行器足以使机器人跳跃或爬行,我们将甲烷和氧气流注入到每只足中,并通过电池产生的电力产生火花。气体之间发生反应形成水和二氧化碳,以小爆炸的形式释放能量,导致橡胶层变形,就像活塞一样。”

    罗伯特·谢泼德还说:“微小的爆炸发生得非常迅速,以至于没有火焰燃烧或损坏橡胶。但是它们提供了相当大的推力:机器人可以跳跃到56厘米高,并能承载自身重量的22倍负载。”

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    方法介绍

    该昆虫机器人的主要特点是其执行器需要处理实际的爆炸情况。这是一个巨大的挑战,需要确保机器人在每次爆炸发生时不会自行燃烧

    执行器及其组件材料如下图 (A) 所示,燃烧执行循环如下图 (B) 所示。研究团队估计该执行器非常耐用,可以连续运行超过750,000个循环周期(50Hz下8.5小时),而不会出现任何性能下降

    昆虫机器人:垂直跳跃59厘米,携带22倍自身重量,即将登场

    执行器的性能主要受两个因素影响:一个是驱动频率 f,一个是燃料 - 氧化剂浓度 φ,φ 可以用如下公式描述:

    下图描述了执行器的性能与驱动频率和燃料 - 氧化剂浓度的关系:

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    为了深入研究机器人的运动机制,该研究构建了一个简化的系统模型,其中考虑了几个关键因素,包括硅橡胶膜(执行器膜)的弹性、电池内的燃料流动、燃料释放的能量、压力和温度。使用这个模型,研究团队可以预测执行器膜的位移值、执行器的阻挡力(blocked force)、机器人的跳跃高度,以及作为驱动函数的排气流率(exhaust flow rate)。

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    为了证明微型执行器在驱动昆虫级装置方面的有效性,该研究设计并制造的由燃烧驱动的四足机器人如图 3 (A) 所示。每个燃烧室都是独立的,分别用来驱动前脚和后脚(图 3 (B))。点火是通过火花来实现的,并导致腔室两端的弹性体膜膨胀(图 3 (C)(D))。图 3 (E) 显示了机器人的腿和足的理想示意图,并使用它来建模跳跃动力学。图 3 (F) 建立了一系列驱动频率下机器人跳跃高度的等效比函数模型。

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    下面为机器人多步态功能的表征图。机器人可以通过修改燃料比和火花频率来切换运动方式。

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    参考链接:

    https://spectrum.ieee.org/explosive-robot-insect

    需要重写的内容是:https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adk0522

    需要重写的内容是:https://www.nature.com/articles/d41586-023-02900-2

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