．全球最小四足機器人比螞蟻臉還小

Legged Microrobot Running

infant

當年 ICRA 2016 上最小的機器人
在 2016 年的 IEEE 機器人與自動化國際會議（ICRA 2016）上，一個重量不足 2 克的機器人成為當時世界上最小的機器人。它的研發者是馬里蘭大學 Sarah Bergbreiter 實驗室的設計師 Ryan St. Pierre。

這個機器人只有 20 毫米長，臀部距離地面高度為 5.6 毫米，重量約為 1.6 克。它並不是個全自動化的機器人，更像是一塊小磁鐵。透過磁力驅動，它可以在任何表面行進，在平坦地面上的移動速度約為 78 毫米/秒。

後來，又有很多微型機器人相繼出現。

比如麻省理工學院研究者們創造的，只有人類卵細胞大小的機器人，可以感知周圍的環境、儲存數據，以及開展一些計算任務。

瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 等大學的研究人員，受細菌啓發，聯合研發出的一種可以在有黏性，或快速流動的液體中，游動的微型機器人。

讓機器人變得越來越小，對於一些科學家來說是個有趣的挑戰。

時隔兩年，小了 10 倍！

時隔兩年多，馬里蘭大學的 Ryan St. Pierre 教授又「打破紀錄」，研發了一款與原先的「小磁鐵」設計基本相同，但比原先小了 10 倍的四足機器人。

它只有 1 毫克重，2.5 毫米長，比螞蟻的頭還小。

和那些模擬昆蟲外形的微型機器人相比，這個機器人的外觀看起來似乎較為普通。準確的說，這款機器人是最小的用腿移動得最快的微型機器人之一。那些比它更小的微型機器人，通常不採用腿作為移動方式。

下圖是運動中的該機器人

似乎很難憑想像知道它到底有多小，把它與乾燥處理後的子彈蟻（Paraponera clavata）頭部對比一下：

這個微型機器人的尺寸是 2.5 毫米×1.6 毫米×0.7 毫米。別看它如此嬌小，它的設計其實是基於像 RHex 那樣的旋轉腿機器人，而 Rhex 的質量是它的 100 多萬倍。

騰躍式步態及不同步態的優勢

你有沒有發現，這個小機器人跑起來並不慢。其運動速度可達 37.3 毫米/秒，相當於每秒可前進近 15 個身長的距離。

與它的前輩一樣，這款機器人小到無法使用傳統的電機或電子產品來「賦能」。它的腿由外部磁場驅動，磁場作用在嵌入機器人臀部的微小立方體磁體上，帶動機器人四足轉動，推動機器人前進。

所有的磁體以相同的方向安裝在其臀部，如此一來，它能實現一種騰躍式的步態，不過，通過稍微調整一下這些磁體，可以實現前傾、慢跑、搖擺等其他步態。這款機器人的「抗疲勞能力「似乎也很強大，在 100 萬個驅動週期測試後，「沒有明顯的磨損或性能下降的跡象」。

Ryan St. Pierre 教授表示，選擇這種騰躍式步態，以及不同步態的潛在好處是可以通過選擇磁體相對於彼此的方向來物理方式地編程步態。最初，他將所有四塊磁體以相同的方向安裝，製作出了騰躍式步態。在後來的迭代中，Ryan 則通過使對角線磁體的方向相似實現了一種小跑步。當涉及在平滑和粗糙的地形上運動時，選擇怎樣的步態最終是一個重要的問題，甚至可能需要在遇到不同的地形時改變步態，而這是目前通過磁力驅動無法實現的。

小身形，有大作用

更小的機器人可以到達大型機器人無法到達的地方，各種尺寸的應用也將增加機器人的用武之地。

研究人員稱，這項工作最直接的應用是理解毫克級機器人和生物的腿式運動的動力學，並建立關於螞蟻如何奔跑的更有代表性的物理和計算模型。

例如，為研究螞蟻如何運動提供了一個更加直觀的模型。隨著對這一量級物體動力學的瞭解不斷深入，研究者們可以以此為指導，設計出具有更多功能的微型機器人。「對毫克級運動基本原理的更好理解也將為這些小尺寸自主機器人的設計和控制提供依據。」

還能變得更小嗎？

下一步，Ryan 還將繼續研究並製作更小的機器人。他認為這取決於磁性材料和機器人主體的可用製造技術。

當機器人體積過小，關節在運動中產生的摩擦力將變成影響其運動的主要因素，這需要透過增加腿長來增加扭矩，然而，「大長腿」會一定程度上降低運動效率。因此，下一代最小四足機器人，或許很難再沿用現在的外觀設計和驅動模式。

Ryan 教授在論文中表示，要想把機器人縮小到比目前的 1 毫克的還要小，最終可能需要改變運動策略。但是，縮小尺寸、並使用相同的設計和驅動技術，也將有助於深入瞭解陸地生物的腿部運動，解開運動的基本限制之謎，並可能讓我們得以瞭解生物系統中的進化壓力。