▲ 第一作者：Cameron A. Aubin
通讯作者：Robert F. Shepherd
通讯单位：美国康奈尔大学
DOI：
10.1126/science.adg5067
01
研究背景
昆虫的力量和耐力与其娇小的身躯并不相称。昆虫级机器人遵循相同的缩放定律，但是表现出性能下降。因为现有的微型驱动器技术是由低能量密度的动力源驱动的，产生的力和/或位移很小，因此，其性能不能满足人们的期望。使用高能量密度的化学燃料为小型软驱动器提供动力是一种可行的解决方案。
02
研究问题
本研究展示了一种 325 毫克的软燃烧微型驱动器，它可以实现 140% 的位移，工作频率大于 100 赫兹，产生的力大于 9.5 牛顿。利用这些驱动器，本研究为一个昆虫级四足机器人提供动力方案，该机器人展示了各种步态、方向控制和22倍于其体重的有效载荷能力。这些特性使其能够在不平坦的地形上和障碍物上行走。
图1|燃烧驱动微型推杆的运行和特性分析
要点：
1.本研究展示了一种重量轻（m = 325 mg）、功率密度高（Πstroke = 277.2 kW kg-1）、由化学燃料燃烧驱动的高频微型驱动器（图 1）。本研究还介绍了将其集成到昆虫级机器人中的情况。该驱动器能以亚毫秒脉冲产生大于 9 N 的力，比现有的类似尺寸、重量和/或材料成分的微驱动器大一个数量级。它的工作频率范围理想，可超过 100 赫兹。
2.本研究使用 CLIP（连续液体界面生产）3D 打印机和 V-0 阻燃树脂（EPX-86 FR；Carbon, Inc.）， 这种材料和制造策略的组合使我们能够快速、经济地制造出具有良好热性能的小型、轻质、高分辨率燃烧室体。本研究通过早期的定性测试确定了大致圆柱形燃烧室（体积 V = 0.09 mL）的精确几何形状，并通过这些测试评估了火焰传播和排气行为以及驱动器的完整性。本研究在这些小室中安装了火花电极、阻焰器模块和作为驱动器表面的薄弹性体（Dragon Skin 10，Smooth-On）薄膜。
3.与传统的内燃机一样，微型驱动器的工作也是从将燃料--气态甲烷和氧气的混合物--输送到燃烧室开始的（图 1B）。这一过程由板载质量流量控制器（MFC）控制，该控制器通过细长的管道向驱动器持续输送规定量的燃料。连接到电极导线上的板载高压（Uspark 为800 到 1200 V）装置产生的小火花点燃了燃料。随后的放热反应导致产品气体膨胀，弹性膜同时膨胀（图 1C）。这种快速（充气时间，tinflate ≤ 0.55 毫秒）、活塞式的薄膜驱动可用于强力驱动末端效应器、发射物体或以其他方式执行工作。当产品气体从燃烧室被动排出（放气时间，tdeflate ~ tinflate）时，驱动过程结束，然后重复循环。
4.这里所说的被动熄火是指在不使用阀门或主动机制的情况下消散火焰锋面，这使得这一过程可以连续、高频率地重复进行。在本研究的系统中，通过以下几个因素实现了被动熄火： (i) 用亚毫升燃烧室容积限制火焰传播，(ii) 用具有熄火特性的材料制造驱动器，(iii) 应用专用的机载阻火器，以及 (iv) 使用无燃料的反应物化学成分。
图2|微型驱动器的模型
要点：
1.图 2A 显示了本研究的微型驱动器模型示意图，并附有相关变量。利用本研究的模型，能够预测主要反应物和生成物的浓度（图 2B；j = 0.45，f = 10 Hz），以及燃烧时驱动器内部压力的快速增加（图 2C）。这些压力峰值的持续时间（tmodel ~ 0.15 毫秒，treaction ~ 0.12 毫秒，tinflation ~ 0.33 毫秒）表明，本研究的建模数据与观察到的反应动力学一致。利用这些压力数据能够预测驱动器的阻滞力，并将其与实验获得的力数据进行比较。
2.本研究的模型还考虑到了快速变形膜的弹性特性，可以预测膜在燃烧过程中的自由位移。通过对模型数据进行计算，如上文所述的实验数据，可以对模型驱动器的功和功率输出进行预测（图 2D 和 E）。模型数据的趋势和大小与我们的实验结果非常接近。
图3|四足昆虫机器人的跳跃性能
要点：
1.为了证明本研究的微型驱动器在为昆虫级装置提供动力方面的有效性，本研究设计并制造了一个燃烧驱动的四足机器人（图 3A）。组装过程和材料清单与单个微型驱动器类似。机器人（L = 29 毫米，m = 1.6 克）由两个对称的部分组成，通过一个弯曲的刚性连杆相连。这两半机器人的中空内部是不同的，均可作为独立的燃烧室，分别驱动一只前脚和一只后脚（图 3B）。甲烷和氧气混合物通过细管输送到机器人中心的两个椭圆形桶中（机器人和执行器的操作均采用相同的双 MFC 测试配置）。
2.点火是通过使用与微型驱动器测试相同的火花配置实现的，并导致腔室两端的弹性膜膨胀（图 3C 和 D）。机器人的几何形状借鉴了微型驱动器的一些设计特点，显示出相似的内部容积、通风孔配置、驱动室和燃烧室尺寸以及薄膜尺寸。机器人的四个驱动脚在功能上与微型驱动器相似，但它们是成对的，由一个中央腔室供气。
3.通过修改阻滞力驱动器模型并将其应用于四足结构，本研究估算出机器人的跳跃高度。图 3E 显示了机器人腿和脚的理想化示意图，本研究在建立跳跃动力学模型时使用了该示意图。利用动量守恒和能量守恒原理，本研究通过机器人在不同启动频率和等效比下的内部压力推导出机器人的最大跳跃高度。结果如图 3F 所示。实验数据与模型的偏差在很大程度上可以解释为模型倾向于低估较低等效比（j = 0.26 至 0.28）下的阻滞力值。
图4|对机器人的多步态功能进行表征
要点：
1.当以较低的等效比（j < 0.35）和较高的频率（1 Hz < f < 30 Hz）运行时，机器人能够执行几种不同的运动模式，包括爬行、类似振动的步态和不同高度的前跳序列（图 4A 和 B）。通过修改燃料当量比和/或火花频率，机器人可以在这些运动方式之间动态切换。人们可以通过硬编码火花顺序来预编这些运动模式。
2.通过每次仅在机器人两个腔室中的一个腔室中诱导燃烧，本研究展示了有限的方向控制。图 4C 显示了通过重复驱动机器人的右侧或左侧分别产生的逆时针和顺时针转向。这种行为是脚的朝向造成的，前脚向身体中心线内倾，后脚向身体中心线外倾，形成近似梯形的脚印。驱动机器人的一侧会使相应的后脚和两只前脚（由于距离较近，它们会一起跳起）离开地面。相反的后足则基本保持静止，作为机器人旋转的支点。本研究演示了几种基于旋转的动作，包括蛇形前行、快速 360°旋转，以及在遇到无法通过的路线时逆转方向。
03
结语
与现有为昆虫级装置提供动力的系统相比，本研究提出的驱动器具有以下几个优势：(i) 使用3D打印作为主要制造策略，便于扩展和与其他系统集成；(ii) 柔软的驱动表面使装置经久耐用，并能以无损方式与环境连接；(iii) 结合高驱动速度、力、位移和频率，可实现高功率密度。将这些驱动器集成到四足机器人中，可实现多模式运动和避障。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067
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