哈佛大学巧妙运用“印刷电路+MEMS”工艺打造微型机器人

受昆虫生物学的启发，哈佛大学的一个团队正在突破其项目的极限，打造出有史以来最小、速度最快的微型机器人：HAMR-JR。

在名为“哈佛移动微型机器人(HAMR)”项目的最新进展中，研究人员表示，他们已经成功地将这个灵感来自蟑螂的机器人缩小到硬币大小。这个名为“HAMR-JR”最新微型机器人虽然还不能爬上水柱，但它可以奔跑、跳跃、携带重物和快速转弯。

HAMR-JR微型机器人是由哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)和哈佛威斯生物启发工程研究所的研究人员携手开发的，它只有受蟑螂启发的哈佛移动微型机器人HAMR的一半大小。

HAMR-JR只有一便士大小，几乎可以完成它的大型前身的所有壮举，促使它成为迄今为止最灵巧的微型机器人之一。

 

“这种规模的大多数机器人都相当简单，只展示了基本的移动能力。”Kaushik Jayaram说，他是SEAS and Wyss的前博士后研究员，也是该论文的第一作者。“我们已经证明，你不需要为灵巧妥协或控制大小。”

Jayaram目前是科罗拉多大学博尔德分校的助理教授。

这项研究在本周的国际机器人和自动化会议(ICRA 2020)上虚拟会议展示了出来。

这项研究面临的一个大问题是，用于制造HAMR早期版本和其他微型机器人(包括RoboBee)的弹出式制造流程，是否可以用于制造多种规模的机器人——从微型外科机器人到大型工业机器人。

PC-MEMS(印刷电路微机电系统)是一种制造工艺，在这种工艺中，机器人的部件被蚀刻在一张2D的薄片上，然后以3D的形式呈现出来。为了建造HAMR-JR，研究人员只是简单地缩小了机器人的2D平面设计——以及驱动器和车载电路——以重现一个具有所有相同功能的更小的机器人。

Jayaram说：“这次试验的奇妙之处在于，我们不必对之前的设计做任何改变。”“我们可以证明，这一制造过程基本上可以应用于各种尺寸的任何设备。”

HAMR-JR体长2.25厘米，重约0.3克，相当于一枚硬币的重量，它奔跑速度惊人，使它不仅是最小的，也是最快的微型机器人之一。

这项研究是由Jennifer Shum, Samantha Castellanos和E. Farrell Helbling共同撰写的。这项研究得到了DARPA和维斯研究所的支持。

对蟑螂的误解

对这位今年加入CU Boulder的工程师Jayaram来说，这个项目是一系列机器人设计中最新的一个，这些机器人的灵感来自一个不太可能的来源：令人厌恶的蟑螂。

Jayaram之前制造了一个名叫CRAM的小型机器人，它可以像城市里的害虫一样挤进看似不可能的空间。他的另一个作品能够头朝下撞到墙上，然后继续跑——就像一只蟑螂一样。

“在上研究生之前，我从来都不喜欢蟑螂。”Jayaram说，“但后来，这么多年来，我觉得，‘是啊，你太恶心了。但作为一种特别的生物，你也是非常有用的，我们可以从中学到东西。’”

设计用来模仿这种讨厌昆虫的速度和机动性的HAMR-JR，也带来了一系列工程上的挑战。

最主要的就是动力问题。这种尺寸的机器人不能使用传统的马达。当它们太小的时候就会过热。因此，哈佛大学的研究小组使用一种叫做“压电致动器”的工具为HAMR-JR提供了动力。

此外，按比例缩小确实会改变一些控制步长和关节刚度的原则，因此研究人员还开发了一个模型，可以根据目标尺寸预测运动指标，如跑步速度、脚力和有效载荷。然后可以使用该模型来设计具有所需规范的系统。

Jayaram解释说，为了制造这幺小的机器人，研究人员首先用激光将机器人的身体部分的形状蚀刻在一块碳纤维复合材料上。

Jayaram说：“我们在平面上把所有东西做成二维结构，然后像折纸一样把它折叠起来，做成三维结构。”“在显微镜下观察要花很多时间才能让它工作。”

小小机器人，大有希望

这些让眼睛的疼痛得到了回报：HAMR-JR可以左右转弯，甚至可以向后疾走。它跑步的速度是它身体长度的14倍，也就是大约每秒1英尺。相比之下，哺乳动物世界中速度最快的动物——猎豹的冲刺速度约为每秒16个身长。

HAMR-JR只是一个开始，Jayaram补充道。理论上，工程师们可以用他的团队同样的方法制造出更小的机器人——铅笔橡皮或者更小。

“我们证明了我们的设计和制造方法是高度可扩展的。”Jayaram说，“我们可以把所有东西缩小或放大，机器人仍然可以工作。”

现在，Jayaram想看看他还能从昆虫身上获得什么灵感：他能不能做一个有6条或8条腿的微型机器人来取代HAMR-JR的4条腿?那么，如果一个小机器人足够灵活，即使被踩到也能存活下来呢?

换句话说，当你身边有蟑螂的时候，没有什么是你做不到的。

“我对生物学和工程学边缘的问题感兴趣HAMR-JR”Jayaram说，“什么是生物学能做而工程学不能做的?”

前身——微型机器人HAMR

2018年，哈佛大学在《自然通讯》发表研究，展示了灵感来自蟑螂的微型机器人HAMR，既能在陆地上行走，也能在水面上游泳、在水下行走，只要需要，就可以探索新的环境。作为对比，在自然界中，蟑螂可以在水下存活30分钟，但现在，蟑螂机器人青出于蓝而胜于蓝。

HAMR使用多功能脚垫，依靠表面张力和表面张力诱导浮力，当HAMR需要游泳，也可以施加电压打破水面，当HAMR需要下沉。这一过程被称为电润湿，即在施加的电压下减小材料与水表面的接触角。接触角的变化使得物体更容易突破水面。

研究人员表示，这项研究表明，微型机器人可以利用小规模的物理——在这种情况下表面张力来执行功能和挑战更大的机器人。

HAMR重1.65克(相当于一个大回形针的重量)，可以在不下沉的情况下额外携带1.44克的有效载荷，它摆动腿的频率可达10赫兹。上面涂了一层聚二甲苯，防止它在水下短路。

一旦进入水面以下，HAMR就会像在陆地上一样走路，而且移动自如。要回到干燥的陆地，HAMR面临着来自水的巨大挑战。一种相当于机器人重量两倍的水面张力向下压在机器人身上，此外，这种诱导力矩还会大大增加机器人后腿的摩擦力。

研究人员加固了机器人的传动装置，并在机器人的前腿上安装了软垫，以增加负载能力，并在爬升过程中重新分配摩擦力。最后，爬上一个适当的斜坡，机器人就能跳出水面。

编辑：jq