史上最小、速度最快机器人！哈佛出品的 2 厘米「四足小强」来了

仿生机器人越来越成为机器人领域的一个研究热点了。2013 年，哈佛大学微型机器人实验室研究人员仿照“小强”打造了一款看上去有点瘆人的四足微型机器人 HAMR，其重约 3g、长约 5 厘米，体积与现实生活中的蟑螂相似。四足“小强”移动的画面放慢 20 倍就是这样的。近日，在机器人领域顶会 ICRA 2020（IEEE International Conference on Robotics and Automation，国际机器人与自动化会议）上，研究团队介绍了更为迷你的升级版 HAMR-Jr，其重量仅为 HAMR 的十分之一，还没有现实中一只蟑螂的腿高，是当前最小、速度最快的昆虫仿生机器人之一。前所未有的「四足小强」实际上，HAMR 是 Harvard Ambulatory MicroRobot（哈佛移动微型机器人）的缩写，这款机器人灵活、体积小的特点通过其名字便可略知一二。在 2013 年推出 HAMR 之后的几年，研究团队曾不断基于 HAMR 尝试技术突破。比如，2018 年研究团队设计了会踩电门的“小强” HAMR-E。简单来讲，HAMR 能够自己深入自己体内，检查部件工作是否正常。不过，当时的 HAMR-E 质量、体积与 HAMR 差距不大，有点像是功能优化。而 ICRA 2020 上公布的 HAMR-Jr 相比此前的更新，可以说是前所未有。那么我们来看看 HAMR-Jr 的相关参数。根据上面的动图就能发现，HAMR-Jr 依然沿袭了四足设计，在外形上与 HAMR 差距不大。不过，HAMR-Jr 最大的变化就在于体积：重 320 毫克，长 2.25 厘米。HAMR-Jr 可谓是小而灵活，能小跑、前屈、跳跃、搬运重物，还能像螃蟹一样横着走。HAMR-Jr 独立驱动自由度为 8。另外，通过压电致动器的驱动，HAMR-Jr 可以以每秒 14 个身长（30 厘米）的速度移动，平均步频和最佳共振点为 200 Hz，最高近 300Hz。值得一提的是，由于受到运动神经冲动和肌肉纤维激活的生物极限的制约，自然界中昆虫步频最快也无法达到 200Hz。这一点正如论文合著者之一、科罗拉多大学博尔德分校 Kaushik Jayaram 所说：HAMR-Jr 的步频可以超过 200 Hz，这在陆地生物系统中是前所未有的，而且这种高步频下的运动动力学研究也是前所未有的。另外，HAMR-Jr 还有一项指标值得关注——在有效载荷达到其自身质量（320 毫克，比如电池和一些传感器）的情况下，其性能变化不大。不过，这里也有一定的改进空间。雷锋网了解到，一些探索性试验表明，HAMR-Jr 的有效载荷至少达 3.5 克。再来看看 HAMR-Jr 的制造过程。通过印刷电路微电子机械系统（PC-MEMS）制造工艺，机器人零部件被蚀刻成 2D 片，再通过灵活的铰链进行连接，形成 3D 结构。通过缩小 2D 蚀刻片、致动器和板载电路，在功能不变的前提下，机器人的体积得以缩小。能上太空，也能探索地下据悉，这一研究得到了 DARPA（美国国防高级研究计划局）的支持，与此同时，另一项仿生微型机器人研究项目更是获得了美国国防部 53.8 万美元的资助。这一项目名为“人类自动化、信任和依赖研究的群体合作平台”（Human Swing Teaming Team Platform for Research in Human in Human Automation Trust and Reliance）由加州州立大学北岭分校机械工程教授 Nhut Ho 领衔。实际上，这一项目的合作成员也都实力不凡，可以说是强强联合——NASA 喷气推进实验室、拥有网红机器人的波士顿动力公司、英特尔、加拿大机器人公司 Clearpath Robotics、德国机器人公司 Telerob、位于硅谷的激光雷达公司 Velodyne 和位于洛杉矶的军用级战术 MIMO 无线通信开发商 Silvus Technologies。虽然项目还在进行当中，具体成果尚未可知。但在加州州立大学北岭分校的网站上，Nhut Ho 公开了其想法，将仿造昆虫制造机器人：我们从蚂蚁和蜜蜂身上得到了启发，它们能自我组织。应对不同任务，它们会采取最佳的解决方案进行团队合作，即使出现了团队成员失败的情况，任务依然可以完成。雷锋网注意到，Nhut Ho 还有一个头衔：NASA 旗下的 STEAMH 自主技术研究中心创始主任。STEAMH 一词由科学、技术、创业、艺术、数学和人文学术几个英文单词的首字母组成，这也代表着该研究中心的跨学科研究方向。正因如此，这一项目旨在研发的机器人不仅将关注诸如搜索救援、采矿或一些极端环境中的陆地应用，也将用于 NASA 的行星探索。对此，Nhut Ho 表示：要探索火星表面和空洞，一群微型机器人将比大型机器人单枪匹马地完成任务更为有效。与此同时，由于项目合作伙伴之一 NASA 喷气推进实验室的一个团队曾在 DARPA“地下挑战赛”中获得过第一名，在自动快速地绘制、导航和搜索地下环境方面有很好的基础，因此这一项目最终设计的机器人也将会在地下场景中有所应用。而上文提到的 HAMR-Jr 其实也有相似的用途，正如 Kaushik Jayaram 在接受 IEEE 采访时所说：我希望看到像 HAMR-Jr 这样的微型机器人产生积极的社会影响，我设想的途径主要有四个：搜索救援、高价值资产检查、环境监控以及药物方面的辅助。由此可见，一方面，研究人员在微型仿生机器人领域不断探索、追求极致；另一方面，机器人的实际应用场景也不断被拓宽。未来微型仿生机器人如何进一步发展，雷锋网也将持续关注。引用来源：https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/hamrjr-is-a-speedy-quadrupedal-robot-the-size-of-a-pennyhttps://csunshinetoday.csun.edu/csun-leaders/insects-inspire-swarms-of-robots-for-space-exploration-in-csun-profs-project/雷锋网
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