《科學》子刊：喝“假酒”，干重活的機器人來了
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機器人通常使用電池或插座供電，但一款名為“RoBeetle”的機器人卻有點不同。這種和昆蟲一般大小的微型機器人，重量不足 1 克，卻能拖運自身重量 2.6 倍的物體。最特別的是，它是依靠甲醇來供能的。
甲醇是一種常見于溶劑和防凍劑中的有機化合物（假酒傷人的成分之一）。像甲醇這樣的液體燃料，每單位體積所提供的能量會比電池更多，這就意味著甲醇驅動的微型機器人不再需要附加外部電源，比如電線、電磁場。從理論上講，這種機器人比電力驅動的同類擁有更多的自主權，同時又能保持很小的尺寸。
在最新一期的《科學·機器人》中，來自南加州大學的研究者向公眾介紹了這款名為“RoBeetle”的機器人。他們設計了可以像真實物體一般收縮和放松的微型人造肌肉，并且使用覆蓋有鉑粉的鎳鈦合金線加快甲醇蒸汽的燃燒。這一過程產生的熱量會導致機器人腿部的電線縮短，待冷卻后重新伸展，以此驅動 RoBeetle 的運動。
RoBeetle 重量僅有 88 毫克，能夠拖運自身重量 2.6 倍的物體。它可以額外攜帶 95 毫克的燃料，續航時間長達 2 個小時。RoBeetle 擁有爬坡技能，并且可以在不同紋理的表面行進，包括玻璃、泡沫睡墊、混凝土人行道。
在未來的研究中，研究者需要進一步探索如何實現機器人的燃料添加功能，從而在更長的時間內持續供能。此外，如果能夠對 RoBeetle 進行編程并實現與操作者通信，那么這款機器人還能用于人工授粉或協助手術等更多場景。
論文鏈接：https：//robotics.sciencemag.org/content/5/45/eaba0015
RoBeetle 技術詳解
用于微型機器人驅動的催化人造肌肉
為了創建能夠驅動昆蟲大小爬蟲機器人的 2H 微致動器，研究者將燃料的 HEDs（下圖 1A）和 SMAs 的 HWDs（下圖 1B）結合起來。
圖 1：實現微致動的能量源和致動方法。
致動機制的核心組件是下圖 2A 中的人造肌肉，它包含一個鎳鈦合金核（NiTi core）和一個凝集鉑（Pt）粉的外催化層。在操作過程中，復合線材（composite wire）的 SMA 核心被催化表面上燃料的可控催化燃燒所產生的熱量激活。
下圖 2C 至 2E 為 NiTi-Pt 復合線材表面的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）圖像，它們是通過在《Materials and Methods》以及下圖 S1 中描述的方法生成的。
下圖 2F 展示了確定的主回路和兩個副回路，其中應力為 164MPa，并與驅動 RoBeetle 原型的 9.8mm 長 NiTi-Pt 線連接。主回路指的是加熱冷卻回路，在這個過程中，SMA 材料完成了從馬氏體狀態（martensitic state）到奧氏體狀態（austenitic state）的完全相變，然后又完全地回歸馬氏體狀態。
圖 2：催化人造肌肉。
圖 S1：NiTi-Pt 復合線材的制作過程。
設計原理 Design of RoBeetle
為了驗證 2H NiTi-Pt 致動器的性能，研究者創建了自動 RoBeetle 的原型，具體如下圖 3A 所示。RoBeetle 通過基于可變摩擦的運動方式來實現爬行。但是，本研究提出的致動方法可以賦能一系列微型機器人平臺，進而實現機器人的行走、跳躍、游泳和飛翔動作。
下圖 3B 展示了致動、感知和反饋控制的聯合機制；圖 3C 至 3H 展示了實現自主操作所需的所有組件，包括 NiTi-Pt 復合線材、MCM 以及燃料箱和其他結構構件。
圖 3：RoBeetle 的設計原理。
就功能而言，這些組件分為以下四類：
第一類包含構成 RoBeetle 軀干的組件，即存儲甲醇的燃料箱（圖 3C 和 3D）；
第二類由 MCM 組件組成，即燃料艙蓋和滑動閘板（圖 3E）；
第三類由構成致動機制的組件組成，包括 NiTi-Pt 線和傳動裝置（圖 3E）、葉片彈簧（圖 3C 和 3G）、以及用于安裝葉片彈簧的兩個喇叭狀靜態臂和支撐復合線的后錨塊夾具（圖 3C）；
第四類由帶爪的仿生微型機械腿組成，它們能夠誘發各向異性摩擦，進而模擬亞種群甲蟲 Pachnoda marginata peregrina 的摩擦機制。
實驗
系留固定實驗
為了獲取適合 MCM 設計的參數，該研究使用了多個 RoBeetle 原型來進行一系列系留實驗。
具體來說，研究者測量了與微型機器人操作相關的最相關變量，包括 NiTi-Pt 線的表面溫度和產生的自振蕩致動應變，如下圖 4 所示。
圖 4：用于測試 RoBeetle 原型特性的系留固定實驗。
自主運動
為了驗證提出的致動方法并探究 RoBeetle 原型的運動性能，研究者進行了兩種類型的實驗：靜止（stationary）條件和平緩移動條件下的自主爬行。這兩個實驗旨在根據平均爬行速度來突出最壞和最佳情況下的操作條件。
下圖 5A 中展示了第一類運動測試的實例，圖 5B 展示了第二類運動測試的實例。與這兩個測試相對應，機器人位置隨時間變化的情況如圖 5C 所示。
操作過程中，機器人后腿爪部到前腿爪部的距離隨著人造肌肉的收縮呈現周期性增加，同時隨著人造肌肉的延伸而距離縮小。
圖 5：該機器人在兩種環境條件下的自主運動。
功能和運動性能
從最基本的導航角度來看，自主地面機器人必須能夠爬坡、運載有效載荷并在各種不同的表面上運動。因此，為了評估 RoBeetle 的功能，研究者進行了進一步的實驗。
首先是坡道攀爬，下圖 6A 至 6C 展示了 RoBeetle 分別在傾斜度為 5°、10° 和 15° 的斜坡上爬行的樣子。RoBeetle 原型可以輕松地在 5° 和 10° 的坡度上攀爬，但在 15° 傾斜度上攀爬的時候出現了下滑。與在水平面上相比，測得的相應速度如下圖 6D 所示。
圖 6：在不同的實驗設置下的運動及其達到的速度。
有效載荷行進演示
研究者演示了 RoBeetle 攜帶有效載荷的能力，并展示了機器人執行簡單自動化任務時與環境的交互，具體如下圖 7 所示：
圖 7：機載射頻識別芯片實現了機器人與環境的交互。
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