“虫子机器人”来了

    随着科研机构的发力攻关，如今，机器人已经内置越来越多的先进功能，例如高清摄影、触摸感应、雷射测距等智能应用。而机器人领域之所以有巨大的进步，主要是因为芯片和电池技术的革命。随着芯片、电池和感应器的尺寸越来越小，机器人的体积也在发生变化。机器人的体型能做到多小？在中国，2厘米的昆虫机器人已实现脱线可控爬行，来到了人们的身边。

    小身躯，大科技

    近日，北京航空航天大学（以下简称北航）科研团队历经多年研究，在国际学术期刊《自然·通讯》发表了新成果——仿生昆虫机器人BHMbot。这款昆虫机器人身长2厘米、宽1厘米、重1.76克，垂直投影面积仅两个指甲盖大小，尺寸虽小，可“五脏俱全”。

    “在机器昆虫内，我们植入了能源、控制、通信和传感系统。”北航科研团队成员、北航助理教授刘志伟称，动力系统是机器人的心脏。普通机器人通常靠电动机驱动，微型机器人内部空间不足以承载大容量电池，往往需外接通电线持续供电，其自由移动因此受限。该团队开发出基于直线式驱动、柔性铰链传动的新型动力系统，让微型机器人成功摆脱电机与外接电线。

    其中，直线式驱动器将“体内”小型电池输入的电能转化为机械能，并向外输出机械振动；柔性铰链传动机构，将机械振动转换为昆虫机器人腿部的周期振动，进而带动整个机体实现高频弹跳运动。“通俗讲，‘体内’微型电池促使一旁的磁铁振动，再带动腿部关节运动。”刘志伟说。细看BHMbot，它可以通过电动马达所连接的齿轮，精确推动车轮、腿和手臂运动，就像肌肉推动肢体的动作一样。

    据悉，为了让昆虫机器人实现高度仿生，北航科研团队还设计了仿生奔跑步态，通过步频和步幅的自适应调节，可实现高载重下快速爬行和运动轨迹精确控制。研究人员只需要在移动终端发送指令，该昆虫机器人就能在桌面上前进、后退、转弯或者沿着圆形路线转圈，甚至能在无线遥控下穿越一堆石块障碍。

    值得一提的是，BHMbot能够在负载5.5倍自身质量重物后实现快速爬行，且能够维持25倍身长每秒（约50厘米每秒）的速度。这在国内外脱线机器昆虫中，处于性能领先地位。

    竞争日趋激烈

    之所以将微型机器人做成昆虫形态，是因为当机器人的尺寸下降到厘米甚至毫米级别时，腿式运动的效率更高，运输成本更低。即同等能量下，腿式驱动爬行的路程比其他形态更远。

    “我们的昆虫机器人采用仿生奔跑步态，它的速度随载重呈现先增后减的趋势，这意味着在一定条件下其负载速度甚至可以超过空载速度。”北航能源与动力工程学院院长闫晓军说。

    当前，全球在前沿技术领域的竞赛日趋激烈。昆虫机器人的相关技术，也成为美欧顶尖高校实验室的重点攻克对象。而北航在微型机器昆虫领域处于技术第一梯队，BHMbot的零部件和技术也都是自主研制。

    作为对比，2023年康奈尔大学研制出长29毫米、重1.6克、能够垂直跳跃59厘米、负载自身重量22倍物体进行爬行的机器昆虫，但它依靠气体之间的爆炸来提供动能，所以存在自燃风险，并且该机器昆虫没有实现脱线作业。在脱线昆虫领域，以哈佛大学2020年的HAMR-Jr机器昆虫为代表，其体长2.25厘米，重约0.3克，速度约30厘米每秒。相较于HAMR-Jr，BHMbot的体积更小，速度更快，负载更强。

    对比目前的国际先进微型机器人，闫晓军对自己的科研成果信心十足。他称：“一般的机器昆虫往往做得很大，在4厘米以上，一些场景和空间无法进入……”

    “成群结队”

    现阶段，BHMbot昆虫机器人仍停留在实验室研究阶段，闫晓军预计3到5年内，昆虫机器人能达成大型机械装备的检修检测和灾后救援的重要应用。

    据北航科研团队介绍，目前BHMbot已经完成求救信号采集验证，可以模拟灾后搜救的场景。在模拟场景中，BHMbot能够穿过石头等障碍物后到达倒塌房屋附近，然后采集房屋内部发出的求救信号并将其回传至控制端，从而精确定位救援场景，分析救援路径。

    凭借体积小、机动性高的特点，BHMbot未来还可以携带图像采集模块进入发动机内部开展结构损伤的检测，这能够弥补现有机械装置出现故障后，人类通过目视检测和孔探检测可达性不足的缺陷。

    目前，BHMbot已实现在航空发动机内部曲面结构上的脱线可控爬行——小小的昆虫机器人爬进发动机内部，能看到更多过去看不到的地方，并将录像实时传回手机屏幕，帮助工程师提前发现机械故障。

    从更长远的角度看，在昆虫机器人的小型芯片上搭载人工智能技术，以及实现群体机器人协作，也将是探索方向。群体机器人运用先进的分散式运算能力，让成群的机器人自我组织、解决问题，透过彼此协调，进行搜救或制造，可达到惊人的效果。

    值得注意的是，群体机器人协作的细分领域已有进展。早在2014年，美国哈佛大学研究人员就组织起了史上最大的机器人集群，他们使用美元一分钱大小的1024具微型机器人，让它们能够找到彼此、互相合作，组成各种复杂的形状。

    设想一下，在灾后救援中，通力合作的机器人分工合作，收集受害者的信息资料，并及时汇总伤亡情况，必将能极大缩短救援时间，提高救援精度。展望未来，可以预见机器人“无所不在”的前景，更加智能的机器人将在工业、军事、医疗和家庭生活中，帮助人类解放双手、提升效能。

    （《瞭望东方周刊》总第910期 陆玉新）