3D打印微型机器人助力科学家研究其步态动力学

不知你是否注意到，在自然界里，大多数昆虫的体型都相当小，但这并不能阻止它们占领整个地球。一直以来，机器人专家们都在尝试制造出尺寸堪比普通昆虫的小机器人。但是严格来说，这些机器人仍然比较大，差不多相当于巨甲虫或者蛾子的大小，而大多数昆虫都要比这小得多。体型的不同，也就意味着它们体验世界的方式大不相同，因此，要对其进行有效地研究就变得困难多了。

在上个月举办的世界机器人与自动化大会（ICRA）上，来自美国马里兰大学的Ryan St. Pierre和Sarah Bergbreiter教授提交了一篇关于重量不到2克的磁驱动有足机器人的步态特征的论文，为更加深入地研究微型机器人打开了大门。

实际上，从2009年以来，这种硬币大小、重量仅有几克的机器人就已经不断出现了。2009年，加州大学伯克利分校展示了其仅有2.4克重的6足自主爬行机器人（RoACH）；几年后，哈佛大学的微型步行机器人（HAMR）就将腿的数目减少到了4个，而质量仅有1.7克。不过，这些微小的机器人固然很酷，但它们大多数仅仅是为存在而设计的，也就是说，能走几步就不错了，根本无法进行针对小机器人动力学的实验测试。

为了找出最适合这种非常小的有足机器人的最佳步态，Ryan St. Pierre最初计划是先制造出像RHex这样的轮腿式六足机器人，然后再缩小其尺寸。RHex的优点是其每条腿都可以独立控制，因此很容易进行各种不同步态的实验。不过一开始小RHex机器人表现得并不好，因为它的腿往往会锁在一起，所以Ryan去掉了中间的两条腿，使其变成了轮腿式4足机器人。值得一提的是，整个机器人都是一次3D打印而成的，无需组装。当打印出来之后，你只需在上面装上电动机，它就能行走了。

由于这些机器人体型太小（每个四足机器人仅20毫米长，5.6毫米高、重量约为1.6克），因此无法使用传统的马达和电池。与此相反，该机器人主要靠一个外部磁场产生的磁力驱动。具体来说，每个机器人腿根部都植入了一个2毫米的钕磁铁块，当你在离机器人足够近的距离旋转一个巨大的磁体时，转动的磁场让这些小的磁铁旋转，进而驱动机器人的双腿。通过改变其腿部磁铁偶极的方向并且进行不同的组合，就能使机器人按照不同的步态移动，比如小跑、像鸭子一样摇摆着走、弹跳和四腿蹦跳（pronking）等。在平地上，以10赫兹驱动的四腿蹦跳步态可以达到78毫米/秒的平均最高速度，即每秒近四个身长。另外四腿蹦跳也被证明是在崎岖度适中的地形上表现最好的步态，不过随着崎岖度的加剧，其它步态反而表现得更好。

“我们已经了解可更多关于步态动力学的知识，比如机器人在其移动时身体前后俯仰得越多，在跨越崎岖的地形时就越有效率，但是在平坦的地形上这种方式会更慢。”Ryan说。

Ryan称，在3D打印机的帮助下，他只需一步就能制造出一大堆这样的微型机器人，而且精确度很高，这就大大加快了他的研究过程。而且，只要能够装得下小磁铁，他就能将机器人变得更小，请看下图：

这是一个一角硬币大小、100毫克的四足机器人，但是表现得与那些更大的机器人没有什么区别，因此这些机器人没有任何理由不会变得更小。Ryan说：“要使机器人尽可能地小始终是一个有趣的挑战。目前，我正在制作一个机器人，使用相同的设计，但只有2.5毫米长，比我们在ICRA上展示的小一个数量级，更小的机器人能够实现我们以前无法想象的功能。”

文章来源：3d打印智造网