​中国学者研发微型变形机器人登Nature子刊，能跑、能爬、又能游！

科幻电影里变形金刚可以实现多重功能---既能像汽车一样飞奔，又能变成又高又壮机器人和坏人作战。这些变形机器人看起来又高又壮。但是一个微型的变形机器人却更难实现，因为它们要依靠强大的电机和复杂的传动传动机构实现变形。

这与动物明显不同，因为动物用肌肉来产生力量，而且肌肉里包含了很多的神经，所以即使很小的动物，也可以实现非常精确的运动控制，而且能够感知外界的刺激。

近期，《自然-通讯》上刊登了一项创新性的研究，研究人员成功地将驱动、感知和锁定功能直接嵌入到机器人的内部结构，从而可以设计非常迷你的变形机器人。

▍核心技术是啥？

这一创新技术的核心在于将人工肌肉与变刚度结构相结合。人工肌肉是一种能够模仿肌肉性能的材料的统称。给它施加电流，就会产生收缩，同时它自己也可以作为传感器从而知道自己的变形。

而变刚度结构由形状记忆聚合物组成，可以在刚性和柔软状态之间切换。如果变硬了之后就可以锁定机器人的形状。这种锁定功能对于机器人十分重要，因为如果依靠人工肌肉施加力去锁定形状，就需要不断给它们供电。 

所以，这个研究的核心之处在于，它将所有这些功能完全嵌入到机器人的体内，无需复杂的机械结构和传动装置，这样机器人才能够很小。

论文通过一根变形手指展示了设计的原理。正常状态下，这个手指具有很大的刚度（就是比较硬），可以承重。当通电后，变刚度结构变软。然后人工肌肉就可以驱动它变成不同的形状。

在这个过程中，内嵌的传感器可以感知变形程度，实现闭环控制。最后手指恢复刚度，就又可以承重了，而且不需要人工肌肉一直通电。

▍变形四足机器人

本文中的四足机器人可以根据环境调整身体的形状从而能够更好地适应环境。比如说，当机器人遇到一个比较矮的缝隙的时候，它必须变形成爬行的姿态，当它通过之后，为了跑的快一点，就要改变身体形状，站起来走。

当需要通过一个比较小的桥的时候，它就要再次改变身体形状，抱着桥慢慢爬（沿）过去。由于这个变形的功能是内嵌的，整个机器人的形状就很小。

▍变形两栖机器人

受到蝌蚪变青蛙的启发，研究人员设计了一个高效的水陆两栖机器人。

任何一种动物，都只能它们比较适应的环境下跑得很快。比如说青蛙在还是蝌蚪的时候通过尾巴摆动来向前游动，速度快还省力，但是当他们被拿到岸上之后就会死翘翘了。当蝌蚪长出腿变成青蛙之后，在陆地上跳跃，就跑得很快了。但是就失去了用尾巴游泳的迅速和高效了。 

本研究里的机器人通过变形腿的形状可以同时实现水里和陆地上的高效运动。开始的时候，当机器人的腿是直的，它可以游得飞快。然后当腿变成弯曲的之后，就可以爬上岸移动。同时如果腿又从弯曲的变成直的，就可以再回到水里游泳。

▍多功能模块

当机器人复杂的时候，就需要很多不同的变形，也可能是各种变形的组合。基于这个想法，研究人员还创建了基于嵌入式变形技术的模块库。各种变形模块的基本原理都是一样的，就是把人工肌肉放成不同的形状。

这些库可以实现可编程的形状变化，包括扭曲、三维弯曲，折纸结构和离散表面变形。在以后的机器人设计中，可以调用这个库，做到不同的组合，从而实现更多的可能。

▍关于作者

下面是本公众号特约孙博士的一个采访视频。视频里对本篇文章进行了详细的解读。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41708-6。

作者信息：该论文由科罗拉多州立大学的赵建国教授和耶鲁大学的博士后研究员孙杰锋领导。孙博士将在美国亚利桑那州立大学机械工程系担任助理教授。该实验室招收两名2024年秋季入学全奖博士研究生。

如您对此感兴趣，可以发邮件到：

jiefeng.sun@asu.edu

也可随时关注：

sunroboticslab.github.io