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自然界中的跳蚤通常具有強大的肌肉，可以通過強大的跳躍和爬行能力克服復(fù)雜環(huán)境中的障礙。這些只有3毫米長的小生物，可以在一次跳躍中躍出330毫米——接近他們自身長度100倍的距離。

近日，北京航天航空大學(xué)研究團隊發(fā)明的新型微型機器人也實現(xiàn)了類似的壯舉，其成果發(fā)表在《IEEE Robotics and Automation Letters》上。

01?創(chuàng)新點

“我們的靈感來源于自然界中的跳蚤，盡管它們體積小，但可以釋放出巨大的潛力，跳躍的距離接近它們身體長度的100倍?！?/p>

跳蚤是已知相同體型的動物中，最好的跳投者。對于昆蟲大小的機器人來說，很難在如此小的體型下模仿跳蚤強大的行動，并且由于體積效應(yīng)，跳蚤大小的機器人難以配備強大的執(zhí)行器，驅(qū)動器的性能會顯著下降。

在這項工作中，研究團隊提出了一種用于微型機器人（長度為3.4毫米）的新型高壓脈沖驅(qū)動器，以實現(xiàn)強大的跳躍和快速爬行運動。3.4毫米的跳蚤機器人，能夠一次性釋放大量能量，其跳躍高度和長度分別可達體長的46倍和87倍，在平面上的爬行速度每秒可達46倍體長。憑借其微小的尺寸和卓越的跳躍性能，跳蚤機器人可以跳過障礙物，然后爬過狹窄的縫隙。

參與這項研究的北京航天航空大學(xué)三年級博士生Ruide Yun評價道：“目前在機器人領(lǐng)域還沒有人能夠?qū)崿F(xiàn)這一壯舉?！?/p>

02 設(shè)計

該微型機器人體積與真正的跳蚤相差無二，其結(jié)構(gòu)包括一個活塞室（由內(nèi)部和外部彈性彈簧約束的腔室）、一個彈性彈簧、兩個電極和四條腿。

該機器人的長度為3.4毫米，寬度為2.2毫米，質(zhì)量為12毫克，兩個電極之間的間隙距離為0.7毫米。機器人不是依靠燃料的燃燒，而是在活塞腔內(nèi)的正負(fù)電極之間釋放高壓放點，驅(qū)使機器人運動。

當(dāng)在兩個電極上施加4kv級別的脈沖電壓時，兩個電極之間就會產(chǎn)生電弧，從而加熱腔室中的空氣。而由于腔室的密閉屬性，空氣沒有逃逸的空間，電弧的能量就會轉(zhuǎn)化為活塞室的膨脹運動。放電結(jié)束后，腔內(nèi)的空氣冷卻，活塞回到其原始位置，彈性彈簧恢復(fù)活室，等待下一次放點，以完成整個振動循環(huán)。

通過這個循環(huán)，可以得到一個往復(fù)運動，實現(xiàn)高功率輸出的高頻振動，驅(qū)動機器人爬行和跳躍。

03 強大的運動能力

在一系列的實驗中，該機器人能夠跳出長度為296.25毫米、高度為156.28毫米的距離，這相當(dāng)于跳得比它自己的身體長度和高度分別遠87倍和高45倍。在復(fù)雜的工作環(huán)境中，該機器人還可以越過大于其身體數(shù)百倍的障礙物，例如石頭、臺階等。

研究團隊通過優(yōu)化腿部設(shè)計，讓跳蚤機器人實現(xiàn)了快速爬行，這要歸功于它的腿和地面之間的不對稱摩擦。在本研究中，它在一個平坦的表面上實現(xiàn)了每秒超過46個身體長度的爬行速度。

跳蚤機器人所展現(xiàn)出的與真實跳蚤相似的強大運動能力，讓人驚喜。對此，研究團隊也直言："我們最初的實驗只是為了驗證新穎的驅(qū)動方法，但我們從未料到機器人會像自然跳蚤一樣跳得這么高，同時還表現(xiàn)出良好的爬行性能。"

04未來應(yīng)用

基于該機器人的毫米級尺寸、快速爬行速度和良好的環(huán)境適應(yīng)性，其在未來可以用于一系列潛在的探測和偵察應(yīng)用，甚至可以作為研究小型昆蟲如跳蚤的一種手段，這也正是機器人背后的靈感來源。

然而，這項工作仍處于早期階段，在實現(xiàn)其現(xiàn)實世界的應(yīng)用之前，目前的機器人原型仍有許多限制需要解決。目前的原型雖配備強大的執(zhí)行器，但執(zhí)行器的振動原理是基于電弧產(chǎn)生的熱膨脹，必須用電線連接起來，以實現(xiàn)跳躍和爬行的高電壓，對電路有較高要求，并且難以在較短周期內(nèi)實現(xiàn)離線運動。此外，目前機器人仍然缺乏轉(zhuǎn)向能力，難以實現(xiàn)爬行軌跡控制。

對此，研究團隊表示，"接下來，我們將進行研究，幫助機器人擺脫電線的束縛，實現(xiàn)自由跳躍和爬行，我們將結(jié)合多個驅(qū)動器來實現(xiàn)機器人的可控跳躍和爬行"，并指出團隊未來可能探索使用多驅(qū)動執(zhí)行器來控制機器人的運動，不斷完善該項技術(shù)。

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