燃烧为虫子大小的机器人提供跳跃、举起和比赛

称之为虫子大小机器人的大爆炸。

康奈尔大学的研究人员将软微致动器与高能量密度的化学燃料相结合，创造了一种昆虫规模的四足机器人，该机器人由燃烧驱动，可以超越，提升，超越和超越其电动竞争对手。

该小组的论文“昆虫级机器人的强大软燃烧执行器”于9月14日发表在《科学》杂志上。主要作者是博士后研究员Cameron Aubin，Ph.D. ‘ 23。

该项目由康奈尔工程机械和航空航天工程副教授Rob Shepherd领导，他的有机机器人实验室此前曾使用燃烧来制造电子产品盲文显示器。

任何目睹过蚂蚁从野餐中带走食物的人都知道，昆虫比它们微小的体型要强壮得多。然而，这种规模的机器人尚未充分发挥其潜力。其中一个挑战是“当你将它们缩小到这个尺寸时，电机、发动机和泵不会真正起作用，”奥宾说，因此研究人员试图通过创建定制机制来执行这些功能来弥补。到目前为止，这些机器人中的大多数都被拴在它们的电源上——这通常意味着电力。

“我们认为使用高能量密度的化学燃料，就像我们放入汽车一样，将是我们可以提高这些机器人的车载功率和性能的一种方式，”他说。“显然，我们不一定主张大规模回归化石燃料。但在这种情况下，对于这些微小的机器人，一毫升燃料可以导致一个小时的运行，而不是一个太重的电池，机器人甚至无法举起，这是不费吹灰之力的。

虽然该团队尚未创建一个完全不受束缚的模型 – Aubin说他们已经完成了一半 – 但目前的迭代“绝对限制了竞争对手，就他们的力量输出而言。

这个四足机器人只有一英寸多长，重量相当于一个半回形针，是用阻燃树脂3D打印的。车身包含一对独立的燃烧室，通向四个执行器，这些执行器用作脚。每个执行器/脚都是一个空心圆柱体，底部盖有一块硅橡胶，就像鼓皮一样。当使用机外电子设备在燃烧室中产生火花时，预混合的甲烷和氧气被点燃，燃烧反应使鼓皮膨胀，机器人弹出到空中。

机器人的执行器能够达到9.5牛顿的力，而其他类似尺寸的机器人的力约为0.2牛顿。它还以大于 100 赫兹的频率运行，排量达到 140%，可以举起其体重的 22 倍。

“由燃烧驱动使他们能够做很多这种规模的机器人目前无法做到的事情，”奥宾说。“他们可以驾驭非常困难的地形并清除障碍。就其尺寸而言，这是一款令人难以置信的毛衣。它在地面上也非常快。所有这些都是由于这些燃料驱动执行器的力密度和功率密度。

执行器设计还实现了高度控制。通过转动旋钮，操作员可以调整火花的速度和频率，或实时改变燃油供给，从而触发动态响应范围。一点燃料和一些高频火花使机器人在地面上滑行。多加一点燃料，少一点火花，机器人就会减速跳跃。根据Aubin的说法，将燃料一直向上启动并给它一个很好的火花，机器人将在空中跳跃60厘米，大约是其体长的20倍。

“做所有这些多步态运动是你通常不会看到这种规模的机器人，”奥宾说。“他们要么是爬行者，要么是跳跃者，但不是两者兼而有之。

研究人员设想在平行阵列中将更多的致动器串在一起，这样它们就可以在宏观尺度上产生非常精细和非常有力的关节。该团队还计划继续致力于创建一个不受限制的版本。这一目标将需要从气体燃料转变为机器人可以携带的液体燃料，以及更小的电子设备。

“每个人都指出这些昆虫规模的机器人可用于搜索和救援，探索，环境监测，监视，在严峻的环境中导航，”奥宾说。“我们认为，我们使用这些燃料为这个机器人提供的性能提高使我们更接近现实，这实际上是可能的。

合著者包括电气和计算机工程助理教授E. Farrell Helbling;Sadaf Sobhani，机械和航空航天工程助理教授;罗纳德·H·海瑟，博士’23;博士后研究员奥菲克·佩雷茨;朱莉娅·蒂姆科 ’21 和琪琪·罗 ’22;以色列理工学院的阿米尔·加特。

该研究得到了空军科学研究办公室的支持;美国国家科学基金会;和海军研究办公室。