华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿” | 独家专访

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华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿” | 独家专访
麻省理工科技评论 2019-12-23

2019-12-23

​机器人版 “小强” 能在苍蝇拍下幸存,DEAnsect 小族群带来圣诞彩蛋
人工智能 机器人
​机器人版 “小强” 能在苍蝇拍下幸存,DEAnsect 小族群带来圣诞彩蛋

打不死的小强,生存能力太强!

如果微型机器人能获得蟑螂的生存能力,哪怕是一部分,就可能在一些苛刻的环境下,执行特定任务。而这样的一群机器小强,能干什么事情就值得想象了。

华人科学家冀晓斌、刘昕畅,以及来自洛桑联邦理工学院(EPFL)的软传感器实验室(LMTS)和综合执行器实验室(LAI)、法国塞尔吉 - 蓬图瓦兹大学的聚合物和界面物理嵌合实验室(LPPI)的几位科学家,共同设计出这样一款柔软的昆虫机器人,该机器人被苍蝇拍或者鞋子拍打之后,依然可以继续移动。

该团队把该软件机器人称为 DEAnsect,它有两个版本,一版需要通过电线连接电源,速度每秒 30 毫米。另一版是无线连接、可以根据环境自主导航的,速度为每秒 12 毫米。

DEAnsect 长 40 毫米,裸重为 0.97 克,而一枚一角硬币的重量为 1.15 克。无线版可以携带 0.78 克的灵活电子组件,比如传感器、控制器和电池等。该机器人可以自动遵循 “8” 字形路径移动。

华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿”

图 | A 为裸重机器人图;B 为该机器人可以自动导航 “8” 字路径并在末端停止;C 为组装之后的 DEAnsect 顶视图;D 为 DEAnsect 侧视图;E 为变形的 DEAnsect 侧视图,胶带将机器人的身体固定在弯曲的状态下。DEAnsect 在正常和变形的状态下均可移动(来源:论文)

无线版装备了板载微控制器和两个光电二极管,用来控制 “大脑和眼睛”,使“小强” 能辨识黑白图案,从而能根据地面上绘制的线条移动。如上图所示,“小强”可以自动遵循 “8” 字形路径移动,到达 “8” 字末端时,也就是当两个光电二极管都在白色表面时,机器人停止运行。

冀晓斌告诉 DeepTech,之后将做一个 DEAnsect 族群来模拟昆虫族群的集体智能表现,从而执行多功能化的任务,比如灾难救援,还有与自然界昆虫聚居来研究它们。他向 DeepTech 提供了一个 DEAnsect 小族群化身 “驯鹿” 拉着圣诞老人的视频彩蛋:

低电压驱动“人造肌肉”

DEAnsect 配备了介电弹性体致动器(DEAs),是一种细如毛发的人造肌肉,可以通过振动使其前行。DEAs 就是昆虫机器人能够轻便快速移动的主要原因,当然,它也允许机器人在各种路面和地形上移动。

创造人造肌肉一直是科学和工程学的重大挑战,在材料方面,形状记忆金属(SMA)、气动制动器和电活性聚合物(EAP)都是不错的选择。在 EAP 领域,最主要的研究方向就是介电弹性体(DEs),该材料应变大、断裂韧性和功率重量比与天然肌肉相近,所以灵活、通用且高效的 DEAs 就成了制作新一代机器人的最优选择。

华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿”

图 | DEA 工作原理示意图,DEA 由两个柔性电极之间的弹性体组成,当施加电压时,发生电荷分离并在膜上引起静电压力,电极相互吸引,这会使薄膜变形,增加其面积并减小其厚度(来源:裴启兵教授论文“Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations”)

DEAnsect 由三个 LVSDEA(低压堆叠式 DEA)驱动,每个 LVSDEA 都连接一条腿,这些装有人造肌肉的 “昆虫腿” 通过快速打开和关闭电压来运动,每秒开关电压达到 450 次。腿与地面大概呈 45°,利用方向摩擦力向前移动。

机器人利用独立的腿部驱动力进行自动转向。当三条腿都在活动状态时,机器人向前移动,当前腿和左腿处于活动状态时,右腿作为轴点,机器人向右转。同理可以向左转和向后转。

华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿”

GIF | DEAnsect 运动原理(来源:论文)

该团队使用纳米制造技术,通过降低弹性体膜的厚度,开发出只有几个分子厚的柔软、高导电性的电极,使人造肌肉能够在相对较低的电压下工作。这种巧妙的设计使研究人员可以大大减小电源的尺寸。

EPFL 软换能器实验室主任 Herbert Shea 评价说:“DEA 通常在几千伏的电压下工作,这需要一个大型的电源装置。” “我们的设计使仅重 0.2 克的机器人就可以背负一切所需的东西。”

Herbert Shea 补充道:“这项技术为 DEA 在机器人技术中的广泛应用、智能机器人昆虫群巡检、远程维修提供了新的可能性,甚至可以通过派遣机器人到昆虫群落中生活来加深对昆虫群落的了解。”

专访论文一作冀晓斌

DeepTech:你是如何想到要做这个机器人的?灵感来源是什么?是蟑螂吗?

冀晓斌:我做这个机器人的灵感是爬行类昆虫。当然蟑螂也是启发源泉之一。昆虫体重很轻,但是却可以非常灵敏,而且柔性的身体可以赋予他们顽强的生命力。尤其是昆虫族群体现的集体智能赋予它们更强的集体生存能力。

DeepTech:DEAnsect 的突出特征是被苍蝇拍拍打之后依然可以运动,并且可以自主导航,这是如何实现的,难点是什么?

冀晓斌:DEAnsect 之所以能够幸免于拍打而继续运转,是因为它是软体人造肌肉驱动的。我们使用的人造肌肉是一层只有 20 微米厚的弹性体硅胶薄膜,柔软的本质使得这类驱动器可以在被扭曲、挤压等发生变形的条件下继续工作。所以,DEAnsect 即使被拍打,驱动系统依然可以工作,这是为什么它能继续行进的原因。

关于自主巡航,我们在软体机器昆虫上集成了整个机器人系统,包括微控制器当做大脑进行逻辑决断,光二极管当做双眼来识别路线,还有电池来供能。

难点在于,昆虫大小的自主软体机器人从来没有发表过。因为软体驱动器的功率一般很低,尤其是在昆虫级别,让软体昆虫机器人负载整个机器人系统,包括传感器、控制器、驱动器、供能系统等等,是非常具有挑战性的。

介电型弹性体致动器(DEA)是一类人造肌肉,具有高输出功率,但是一般需要几千伏来驱动。几千伏电压的电子配件的大小和重量,限制了 DEA 机器人的小型化与整体性能。我们的工作降低了 DEA 驱动电压的一个数量级,从而使我们可以使用超轻质量(小于一克)的控制与供能系统。

DeepTech:DEAs 能在低电压下工作是一个突破,这个机器人需要的电压是多少,目前的续航能力如何?

冀晓斌:自主 DEAnsect 被设计的工作电压是 450 伏特。我们可以用相同的纳米制造工艺制造更低电压运转的 DEAs(100V)。目前,在电池充满一次电的情况下,可以连续工作大约 14 分钟,没电以后可以再次充电,然后继续工作。

DeepTech:Herbert Shea 说这项技术为智能机器人昆虫群巡检提供了可能性,但是机器人不会飞的话是不是会影响性能和应用场景?相比于哈佛大学 RoboBee 的 RoboFly,DEAnsect 有哪些优劣势?

冀晓斌:根据不同的应用环境,巡检机器人可以被设计为在空中飞行,陆地爬行,还有水下游泳。陆地上的巡检不一定非要飞行机器人,比如之前波士顿动力的 Spot mini,就是四足陆地机器人,用于建筑工地的巡检任务。

我很喜欢哈佛大学的 Robobee 还有 Robofly,可是他们大多数都是有线连接的,无线版本的 Robobee 也被发表,但是整个飞行时间只有几秒,而且需要强光光源为集成的太阳能电池供电才能实现无线飞行。供能设备的集成一直是小型轻量化机器人的瓶颈。

DEAnsect 的最大优势是完全独立自主,不需要外部供能设备,因为可充电锂电池已经集成在机器人上。其次的优势是 DEAnsect 是由软体人造肌肉驱动,赋予它顽强的生命力。

劣势是 DEAnsect 目前为手工组装,所以制造一个族群需要耗费大量精力,而且手工组装精度也受限制。所以 DEAnsect 的自动化制造过程需要被研发。

DeepTech:您和同事之后的研究方向是什么?

冀晓斌:我们将来的长期目标是做一个 DEAnsect 族群来模拟昆虫族群的集体智能表现。从而执行多功能化的任务,比如灾难救援,还有与自然界昆虫聚居来研究它们。

研究团队

此篇研究论文发表在 Science Robotics 上,论文作者包括冀晓斌、刘昕畅、Vito Cacucciolo、Matthias Imboden、Yoan Civet、Alae El Haitami、Sophie Cantin、Yves Perriard、Herbert Shea(通讯作者)。

华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿”

冀晓斌,洛桑联邦理工学院软传感器实验室博士助理。2015 年在塞尔吉 - 蓬图瓦兹大学获得化学博士学位,随后在洛桑联邦理工学院担任博士助理。

华人学者造出“打不死的小强”:人造肌肉驱动每秒450次“抖腿”

刘昕畅,目前是 R&D 工程师。2012 年硕士毕业于北航计算机科学系,2010-2012 年赴巴黎中央理工学院攻读了工程硕士和信号处理硕士,2013 年开始在洛桑联邦理工学院攻读机器人控制和智能系统博士。今年一月加入 R&D。

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