“打不死”的小强？科学家造了支“机器小强团”

【导(dǎo)语(yǔ)】西(xi)湖(hú)大(dà)学(xué)工(gōng)学(xué)院(yuàn)姜(jiāng)汉(hàn)卿(qīng)实(shí)验(yàn)室(shì)“养(yǎng)”出(chū)一(yī)群(qún)“小(xiǎo)强(qiáng)”——昆(kūn)虫(chóng)尺(chǐ)度(dù)的(de)软(ruǎn)体(tǐ)机(jī)器(qì)人(rén)，它(tā)们(men)身(shēn)长(zhǎng)仅(jǐn)2厘(lí)米(mǐ)、体(tǐ)重(zhòng)2克(kè)，能(néng)在(zài)复(fù)杂(zá)环(huán)境(jìng)自(zì)主运(yùn)动(dòng)，可(kě)搜救、能监测，能耗低且生命力强大。其全新驱动机制让机器人虽无肌肉却能量惊人，未来或成灾难现场“生命使者” 。

它被扔进草丛，或匍匐前进，或旋转跳跃；它被扔进水里，可以快速(sù)调(diào)整(zhěng)姿(zī)态(tài)，化(huà)身(shēn)为(wèi)鱼(yú)；即(jí)使(shǐ)从(cóng)108米(mǐ)高(gāo)的(de)标(biāo)志(zhì)塔(tǎ)顶(dǐng)掉(diào)落(luò)，重(zhòng)重(zhòng)地(de)摔(shuāi)在(zài)地(de)上(shàng)，它(tā)也(yě)能(néng)在(zài)片(piàn)刻(kè)后(hòu)再(zài)次(cì)起(qǐ)身(shēn)蹦(bèng)跶(tà)……

何(hé)方(fāng)来(lái)的(de)不(bù)明(míng)生(shēng)物(wù)？凑(còu)近(jìn)一(yī)看(kàn)，它(tā)个(gè)头(tóu)小(xiǎo)小(xiǎo)的(de)，身(shēn)长(zhǎng)仅(jǐn)2厘(lí)米(mǐ)，体重仅2克，像极了那个生命力顽强、却也令许多人皱眉的“打不死的小强”。

当机器人“足够小”可以做什么？

这群“小强”学名“昆虫尺度的软体机器人”，来自西湖大学工学院，是机械工程讲席教授姜汉卿实验室所“养”。据姜汉卿介绍，它们能在复杂的野外环境自主爬行、跳跃、游泳——和小强一样矫健，比小强更坚强。

它们可以帮助人们做人类甚至许多机器人做不到的关键事情——

比如蠕动式爬行机器人，从30米的高空甚至108米高空自由落体后还能毫发无损地继续匍匐前进，极限抗冲击的能力令它非常适合在废墟、瓦砾、狭小缝隙中执行搜救任务。未来，在地震等重大自然灾害发生后，它可以被无人机从空中投放，快速渗透进入废墟深处，寻找被困人员位置并发出信号，成为生命搜救的“先锋兵”。

自驱动游泳机器人

自驱动游泳机器人，能在自然水体中自主游动超过一小时，未来，可以派小巧灵活的它检测水下环境或监测污染。并且自驱动跳跃机器人可能是目前已知最小的完全自主跳跃软体机器人，有望在复杂地形上感知环境、自主移动、躲进缝隙等。

值得一提的是，这(zhè)些(xiē)“小(xiǎo)强(qiáng)”机(jī)器(qì)人(rén)的(de)生(shēng)命(mìng)力(lì)也(yě)很(hěn)强(qiáng)大(dà)——能(néng)耗(hào)低(dī)，只(zhǐ)有(yǒu)56毫(háo)瓦(wǎ)，跟(gēn)小(xiǎo)LED灯(dēng)差(chà)不(bù)多(duō)。更(gèng)妙(miào)的(de)是(shì)，“小(xiǎo)强(qiáng)”的(de)驱(qū)动(dòng)系(xì)统(tǒng)可(kě)被(bèi)设(shè)计(jì)为(wèi)“双(shuāng)稳(wěn)态(tài)”甚(shén)至(zhì)“三(sān)稳(wěn)态(tài)”，即(jí)在(zài)驱(qū)动(dòng)至(zhì)目(mù)标(biāo)状(zhuàng)态(tài)后(hòu)无需持续供电即可稳定保持，大幅提升了能效。举个例子，如果“小强”背着一块8毫米长，4毫米厚，容量只有20毫安的小型板载电池时，可以持续工作一个小时。

姜汉卿表示，未来还希望“小强”实现两栖运动和3D跨障碍运动，成为人类执行一系列科学任务的得力助手。

为什么“小强”机器人如此“能打”？

在自然界，小强的运动技能平平无奇。但在机器人界，要想有个机器人像小强这么灵动小巧，可太难了。姜汉卿介绍，“小强”的老师是诸多昆虫同胞们。在自然界中，昆虫等小型生物之所以能轻盈穿梭、矫健爬行，靠的正是肌肉的高效率收缩机制，它们小小的肌肉能爆发出惊人的力量。

受肌肉伸缩的启发，姜汉卿从力学角度出发，想到利用弹性力和静磁吸力的平衡来实现机器人类似肌肉收缩的运动，设计了一个奇妙、精巧的驱动系统，“塞进”了“小强”不到2厘米的小身板里。

驱动系统分为两部分，下方是嵌入软磁铁的线圈，上方是硬磁铁，硅胶外壳可以产生弹力。通电后，线圈产生的磁场可以进一步增强软磁铁和硬磁铁之间的静磁吸力，同时引入洛伦兹力，实现对吸力的动态调控。这一“磁吸+弹性”的巧妙结合，让“小强”可以在低电压（<4V）下产生高达 210 N/kg 的输出力和60%的变形率，远超传统技术(shù)水(shuǐ)平(píng)。

这(zhè)就(jiù)是(shì)最(zuì)近(jìn)姜(jiāng)汉(hàn)卿(qīng)实(shí)验(yàn)室(shì)提(tí)出(chū)的(de)全新(xīn)电(diàn)磁(cí)弹(dàn)性(xìng)体(tǐ)驱(qū)动(dòng)机(jī)制(zhì)（Elasto-Electromagnetic Mechanism, 简(jiǎn)称(chēng) EEM），这(zhè)一(yī)机(jī)制(zhì)有(yǒu)效(xiào)突(tū)破(pò)了柔性与微型系统中传统驱动方式的性能瓶颈，在高输出力、大形变与低电压驱动之间实现了有机统一，也让昆虫尺度的软体机器人能够在复杂户外环境中实现完全自主运动。

正是这一机制，让“小强”虽无肌肉却胜似有肌肉，小小的身体藏着大大的能量。

“小强”在户外爬行（蠕动式爬行机器人） 西湖大学供图有了这项科研成果，或许在不久的将来，当灾难发生时，第一批抵达(dá)现(xiàn)场(chǎng)的(de)“生(shēng)命(mìng)使(shǐ)者(zhě)”，就(jiù)是(shì)这(zhè)些(xiē)蹦(bèng)蹦(bèng)跳(tiào)跳(tiào)、从(cóng)天(tiān)而(ér)降(jiàng)的(de)“机(jī)器(qì)小(xiǎo)强(qiáng)”们(men)。