跑得快，打不死！清华大学开发“小强”机器人-大数据文摘的财新博客-财新网

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提到蟑螂，很多同学都深恶痛绝。

这种身型小巧的虫子不仅跑得快、繁殖能力强，而且超级抗打抗压，在所有的环境下都能顽强地生存下去。

也难怪周星驰在自己的电影里，把蟑螂称为“打不死的小强”。

但想象一下，如果你拥有一支跑的又快、伸缩自如的蟑螂大军，征服宇宙或许都不再是梦想！

近日，清华大学和加州大学伯克利分校的研究人员就研制了一款像极了“小强”的新型软体机器人，不仅运动速度很快，而且真的像一只打不死的小强一样，比我们以前见过的任何机器人都更加“抗造”。

从外形上看，这个机器人就像一张弯曲的纸条。但是它能以每秒20个身长的速度移动。

更值得一提的是，在被一个重近60kg的成年人踩到后，这只机器人依然可以继续运动。

此外，这只机器人还能爬上坡度为15度的陡坡，以及扛着自身重量6倍的花生稳定前进。

这一研究日前也登上了最新的 Science Robotics(科学机器人)杂志。

论文的通讯作者是清华国家智能技术实验室副教授张敏，同时也是清华大学天工智能计算研究中心的成员。团队其他成员来自北京航空航天大学和加州大学伯克利分校，可谓是强强联手、精英荟萃。

附上论文链接：

https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax1594

解剖“小强”，更高的速度和强大的抗压能力

这款“蟑螂“机器人只有3x1.5厘米，需要用扫描电子显微镜才能看到机器人是什么结构。

在显微镜下，可以看到这款机器人包括一个18微米厚的聚偏氟乙烯层，两个50纳米厚的钯(Pd) / 金(Au)电极(聚偏氟乙烯膜的顶部和底部) ，一个25微米厚的粘合性硅树脂，和一个25微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板。

而这款机器人运动的方式就更加奇特了。利用交流电压（低至8伏，但通常约为60伏）穿过电极时热塑性塑料的伸展和收缩，从而使机器人向后弯曲并且“小步幅”的走动，完整的一个步进周期仅需50毫秒。

机器人的“运行”还有一个短暂的"腾空"阶段。

而在稳定可靠方面，相比蟑螂可以承受900倍于自身体重的负荷而不受伤害，这款软体机器人可以在被一个成年人(59.5公斤)踩上之后，继续工作(只有原来速度的一半) ，这个负载大约是它自身体重的100万倍！

研究人员对这样的表现还不是很满意，于是准备再给“小强”加一条腿。

两条腿的“小强”可以模拟飞驰式的步态，就像猎豹一样可以拱起背部以增加步长和利用储存的弹性能量。

利用了这种更有效的飞驰式步态机制，两足机器人在类似驱动条件下的跑步速度是单足机器人的3倍。根据高速摄像机拍摄的步态，双腿机器人的空中占空比（75%）比单足机器人（51%）提高了24%，从而提高了运行速度。

与动物类似，质量越大相对速度越慢

无论是对于哺乳动物还是昆虫而言，大家的直观感受都是体重越大，跑的越慢，这里跑的慢是指每秒行进的自身体长数更少，事实也是如此。

图中显示了一些哺乳动物（紫色区域）、节肢动物（粉色区域）相对于体重的运行速度，紫色区域和粉色区域，体重与相对运动速度呈负相关，即相对于哺乳动物和节肢动物，随着体重的增加，相对速度会降低。

而对于软机器人而言（蓝色区域）这种关系似乎正好相反：随着体重的增加，相对速度会逐渐提高，而随着体重的减少，速度会降低，这主要是因为机器人需要一定质量的零部件来支持运动。

而由清华大学和加州大学伯克利分校研制的这款小型软机器人，the scaling law （速度相对于体重的变化定律）则与哺乳动物达到了一致：随着体重的减少，相对速度越大（图中红星所示）。

这主要是因为这款机器人的相对运行速度与共振频率呈正相关，所以在更高的共振频率下运行可获得更高的相对运行速度，所以结构简单，无冗余耗能部件的“小强”，工作效率更高。

尽管一些由磁场、湿度、热源或光源驱动的软机器人可以拥有快速的瞬时速度，但是反应缓慢以及需要外部电源等庞大设备，以及磁场，都限制了它们的速度。

再仔细观察上面的图表，会发现一个很有意思的事情，数字39就在那张图表上（左上角），这是1916年在加利福尼亚州的一块岩石下发现的一种微小的螨虫。螨虫的大小不到1毫米，但它可以以每小时0.8公里的速度运行，即每秒322个身体长度，使它成为地球上相对于大小最快的陆地动物（至少两倍）。

想象一下，如果我们人类拥有相同的速度体重比，我们将以每小时超过2,000公里的速度运动，成为新一代的"超人"，但这终归只针对昆虫，左上角的几乎所有东西都是昆虫，质量减小运动反而更加有利。

其他小型机器人

最近几年，对于小型机器人的研究越来越多了。

比如，来自UMD的磁力驱动的四足机器人，腿部由外部磁场控制，外部磁场作用于嵌入机器人臀部的微小立方体磁铁。磁场的变化影响着磁铁的变化，使得这款机器人能以高达150赫兹的速度驱动支腿。

通过将同方向的磁铁安装到臀部就可以实现一个步态，只要稍稍改变磁铁方向，即可实现步态的变化。