機器人昆蟲模仿大自然的極端動作

在水上行走的概念可能聽起來超自然，但實際上它是一種非常自然的現象。許多小型生物利用水的表面張力來操縱自己。水上跳躍最復雜的演習之一是通過一種稱為水str的半水生昆蟲實現的，這種昆蟲不僅可以沿著水面掠過，而且還可以通過它們的腿產生足夠的向上推力，從而將它們從空中傳播。

現在，仿效這種自然形式的水基運動，來自韓國首爾國立大學(SNU)，哈佛大學生物啟發工程學院和哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的國際科學家團隊揭開了一種可以從水面跳下的新型機器人昆蟲。通過這樣做，他們揭示了對自然力學的新見解，這些自然力學允許水str以相同的功率和高度從剛性地面或流體水中跳躍。這項工作發表在7月31日的“ 科學”雜志上。

“水的表面需要以適當的速度按壓足夠的時間，達到一定的深度，才能實現跳躍，”該研究的共同高級作者Kyu Jin Cho說，他是機械部的副教授。航空航天工程和首爾國立大學Biorobotics實驗室主任。“水str能夠完美地完成所有這些事情。”

水上運動員的腿具有略微彎曲的尖端，采用旋轉腿部運動來幫助它從水面起飛，共同資深作者Ho-Young Kim，他是SNU機械和航空航天工程系教授，SNU主任微流體力學實驗室。Kim，前Wyss研究所訪問學者，與該研究的共同第一作者，SNU微流體力學實驗室的研究員Eunjin Yang一起工作，收集水str并拍攝他們動作的大量視頻，分析使昆蟲成為可能的機制。撇去并跳下水面。

該團隊花了幾次試錯試圖完全理解水str的機制，使用機器人原型來測試和塑造他們的假設。

“如果你盡可能快地在水上施加盡可能多的力，那么肢體就會突破表面，你將無法到達任何地方，”該研究的共同作者羅伯特伍德博士說。 Wyss Institute核心教員，哈佛保爾森學院查爾斯河工程與應用科學教授，以及哈佛微機器人實驗室的創始人。

但是通過研究與他們的機器人昆蟲的迭代原型相比較的水str，SNU和哈佛團隊發現跳水的最佳方法是在跳躍運動期間盡可能長時間地保持水接觸。

該研究的共同第一作者Je-Sung Koh博士說：“利用它的腿向下推水，天然水str會施加最大量的力，使其低于打破水面的閾值。”在本研究的大部分時間里，他正在SNU攻讀博士學位，現在是Wyss學院和哈佛保爾森學院的博士后研究員。

模仿這些機制，由團隊建造的機器人昆蟲可以在水面上施加高達16倍的自身體重而不會突破，并且可以在沒有復雜控制的情況下完成。盡管缺乏復雜的認知技能，許多天然生物如水str可以輕松地進行極端的運動方式 - 例如飛行，漂浮，游泳或跳水。

“這是由于它們的天然形態，”Cho說。“這是一種體現或物理智能的形式，我們可以從這種物理智能中學習，建立類似能夠執行極端機動而不需要高度復雜的控制或人工智能的機器人。”

機器人昆蟲是使用“扭矩反轉彈射機制”建造的，其靈感來自跳蚤跳躍的方式，這允許這種極端運動而沒有智能控制。它是由Cho，Wood和Koh于2013年在智能機器人和系統國際會議上首次報道的。

對于機器人昆蟲跳水，輕型彈射機構使用一股動量加上有限的推力來推動機器人離開水面而不會破壞水的表面。采用由復合材料和致動器構成的自動觸發機構來激活彈射器。

為了生產機器人昆蟲的身體，使用“彈出式”制造來制造折疊復合結構，其自組裝非常類似于在3D書籍中“彈出”的可折疊組件。由哈佛保爾森學院和Wyss研究所的工程師設計，這種巧妙的分層和折疊過程可以快速制造微型機器人和各種機電設備。

“由此產生的機器人昆蟲可以達到在堅硬的地面上快速跳躍時可能產生的相同動量和高度 - 但是可以通過在更長的時間內延長跳躍推力并持續延長來實現接觸水面，“伍德說。

“生物學家和機器人專家的這種國際合作不僅探討了大自然，還開發了一種新型的半水生物生物機器人，它可以執行一種新的極端形式的機器人運動，但也為我們提供了關于水中自然力學的新見解。邁進，“威斯研究所創始主任唐納德英格伯，醫學博士，博士說。

該研究的其他共同作者包括Gwang-Pil Jung，博士。SNU Biorobotics實驗室的候選人; Sun-Pill Jung，SNU Biorobotics實驗室的MS候選人; Jae Hak Son，獲得博士學位。在SNU的行為生態學和進化實驗室; Sang-Im Lee，博士，SNU先進機器設計研究所研究副教授，SNU行為生態學和進化實驗室兼職研究教授; 和Piotr Jablonski，博士，他是SNU行為生態學和進化實驗室的教授。