蟑螂素以“打不死的小強”聞名于世。踩過一腳後，它不僅沒死，還會一溜煙輕巧地溜走。這種特性放在害蟲上固然讨厭，但如果能移植到機器人上豈不妙哉？

最新的一期Science Robotics，就發表了這樣一個打不死、壓不扁的小強機器人。外媒IEEE Spectrum在報道時，甚至用了“驚人”（surprisingly）一詞。

清華大學和美國加州大學伯克利分校的科學家們近日就研發出了一款以蟑螂為靈感的微型機器人。

從表面上來看，這款機器人隻是一塊金屬薄片：長度3厘米，重量不到0.07克。但加上電壓後，它就能以每秒20個自身長度的速度移動，輕松彈跳、爬坡，甚至負荷6倍于自身重量的重物行動。

這個小強機器人長3厘米，寬1.5厘米，體重0.024克，隻有一枚硬币大小，運行的時候最低隻要8V的低電壓。

最大的特點是耐壓，拿100g的砝碼壓住它，拿起來之後毫發無損，還能繼續淡定的向前跑。

甚至，體重119斤的成年人踩上去，它也照樣可以往前跑，這個承重大約是小強機器人自己的248萬倍。

論載重能力，它還能背着自己體重6倍的東西一起走。

跑起來的速度也相當快，最快每秒可以跑20倍自己的身長的距離。

不隻平地運動，還可以爬7.5度傾斜的坡。

因此，這款體型嬌小而健壯、運動機能全面的小強機器人，最适合的應用場景怕不是深入狹窄的縫隙，進行一線調查工作？

小強的結構

小強機器人的核心組成是一個略微彎曲的“甲殼”和前面甲殼下的腿。

從顯微鏡圖像來看，甲殼部分有5層，從上到下依次是:

50nm Pd/Au電極

18μm厚的PVDF層

50nm Pd/Au電極

25μm的矽粘合劑

25μm的PET材料

PVDF是一種壓電材料，給它兩端加上電壓後就會收縮或膨脹。因此，當給PVDF加上交流電的時候，它就會反複在彎曲和伸直的狀态之間變化，這樣甲殼的形狀也就随之變化，被賦予了彈跳運動能力。

所以，當小強機器人跑起來的時候，它的甲殼是在不斷彎折的，以直-彎-直-彎……這樣循環變化彈跳運動。

另外的一個核心部分是小強的前腿，它支撐小強身體，彈跳的時候也要靠腿來落地支撐。

在彈跳的過程中，為了保證小強機器人盡量向前運動，研究者們把前腿稍微往後“掰”了一下，保證前腿和下半身軀幹之間的角度小于90°。

拆解“小強”運動過程

這樣一片身材小小、體态薄薄的機器人，是如何完成跑步、爬坡和負重任務的？

在論文Insect-scale fast moving and ultrarobust soft robot中，研究人員解釋了小強機器人的運動原理。

具體的運動狀态，研究者們用60V、200Hz的正弦交流電做了演示。

這張圖是小強機器人經過了20個周期的運動後平均出來的幾個核心的數據。

黑色的是驅動信号，也就是正弦交流電的波形圖，因為用的是200Hz的交流電，一個周期也就是5ms；

紅色是一個周期内小強機器人前進的距離，大約不到0.4毫米。注意，因為這裡的電壓最高隻有60V，所以達不到每秒20倍體長的最高運動速度。

藍色則是小強機器人脊背的高度變化，随着電壓波動，在電壓為-60V、0V、60V、0V這四個時間點上（也就是圖上的I、II、III、IV），小強一直在變化自己的身姿，脊背的高度也在随着波形變化；而當一個周期結束，電壓回到-60V的時候（也就是圖上的V），小強的姿勢也回到了最初狀态。

如果将小強機器人運動中的脊背高度變化拉長，拉到和生物界中真的小強一樣的運動周期50毫秒，會發現兩者的脊背高度波動幾乎是重合的。

受到電壓影響，小強機器人共有四種姿态，分别為騰空态（aerial），II前觸态（front-touching），後觸态（back-touching）和III雙觸态（both-touching）。

這四個狀态連在一起，構成機器人一個步态周期，從肉眼上看，就是機器人向前跑了一步。

來看高速攝像機下的小強機器人，從A到D分别為上述四種姿态，以及其身體受力分析：

其中，灰色虛線表示此前的形狀，紅色表示的時當前的形狀，G代表重力，Ff代表前腿的地面反作用力，Fa表示腹部末端的地面反作用力。

完成一次跑步動作的周期是5毫秒，頻率為200Hz。跑步的過程還有一個騰空的階段。

那麼，小強機器人如何完成每秒前進相當于20個自身長度的距離？

研究人員先繪制了不同動物體重（橫軸）運動速度（縱軸）的分布圖，來看一下：

其中紫色區域代表哺乳動物，橙色區域代表節肢動物，藍色區域代表不同軟體機器人的與體重的相對運行速度。

從這個大趨勢中可以看出，對于哺乳動物來說，體重越小速度大多數就越快，但對于軟體機器人來說這個規律恰好相反，體重減小、但速度也随之變慢。

知道了大規律之後，研究人員開始對小強機器人進行一系列的優化，圖中紅色五角星就為預設的優化策略。

因為機器人的運行速度與諧振頻率正相關，因此這個小型機器人可在較高的諧振頻率下運行獲得更快的相對速度。

研究人員表示，雖然一些由磁場、濕度、熱源或光源驅動的軟體機器人的瞬時運行速度可以很快，但其響應速度較慢，其動力裝置也比較笨重，因此放棄了這些探索。

最後，看一下小強機器人在爬坡和負重環境下的表現。

論文顯示，它可以承受自身體重100萬倍的重量，約60公斤，并且還能以正常速度的一半繼續向前爬行。

即使攀爬15度的斜坡，仍範能以每秒一個體長的速度前進。

甚至，還能當小小搬運工，比如攜帶一顆是自身重量6倍的花生：

不過，這個小強機器人還有很多可優化的空間。

一是目前還不太自由，小強機器人需要被拴在一根細電線上。研究小組正在嘗試為機器人添加一塊電池，這樣不需電線就可以直接行走了。

二是小強機器人目前還無法自主避障，研究人員表示，正在嘗試增加氣體傳感器，也在改進小強機器人的設計，使其最終能夠跨越障礙物。

不過，無論是增加電池還是增加氣體傳感器，對于一般體型的機器人來說可能不是件難事，但若要将這兩種裝置安裝在一塊如此輕薄、耐踩的機器人身上，還是一項巨大的挑戰。

*内容及圖片來源于網絡，侵權請聯系小編。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!