史上最小“變速箱”登Science Robotics，僅3毫米為微型機器人持續提供動力

大數據文摘轉載自機器人大講堂

馬克斯·普朗克研究所和哈工大合作的最新研究成果，解決了微型機器人多年的難題。

1959年，著名物理學家理查德·費曼曾預言，人類未來可以“吞下外科醫生”。

這里的外科醫生指的是比頭發絲還細小的微型機器人，可以把它們人注射到人體內，通過血管到達指定位置進行手術。

但萬一“外科醫生”在體內動力不足、無法控制了怎么辦？可能就要轉變成醫鬧了。

這確實是需要擔心的一點，因為微型機器人實在太小，無法攜帶自己的“發電廠”，所以大多數微型機器人使用外部磁場進行操作。然而，隨著機器人變得越來越小，它們的力量會因為質量太小而減弱。

馬克斯·普朗克研究所和哈爾濱工業大學的研究人員現在找到了一種辦法可以解決這個問題。他們設計了一種可以無線連接的微型驅動變速箱，最大尺寸為3毫米，重量只有13.2毫克，并將變速箱應用于多款微型機器人上，可以驅動進行爬行、跳躍、抓取物體等動作。

磁力驅動齒輪箱讓機器人更自由

有效驅動微型機器人的關鍵在于兩點：

1.讓微型機器人始終動力十足；

2.實現無線化驅動。（畢竟不能帶著根電線吞進肚子里）

結合以上兩點，外部磁場并不是最佳方案，需要將磁鐵放置在非常靠近機器人的位置才能達到相當高的磁場強度，這限制了其在機器?遠離磁場源的場景中的應用；通過機械傳動系統來放大磁扭矩和力輸出是一種有效的替代方案，比如齒輪，可被用于磁力驅動方案中，但集成電源的困難使這些齒輪驅動的機器人無法實現無線化。

既然微型齒輪箱可行，那該如何實現無線化呢？

馬克斯·普朗克研究所和哈工大的研究人員想了個辦法——使用旋轉永磁鐵產生的磁場，或具有彈性元件的磁力致動器，就能實現無線驅動齒輪箱，重復產生大的驅動力、應變和速度。

齒輪變速箱使用參考直徑可達270微米的微齒輪進行組裝，并通過鑄造由鋁填充的環氧樹脂制成。通過連接到輸入軸上的磁盤，變速箱可以由不超過6.8毫特斯拉的旋轉外部磁場驅動，在40赫茲時產生高達0.182毫力頓米的扭矩。

賦予機器人更多性能：爬行、跳躍、夾持、穿刺注射

接下來才是實戰演習，給幾種不同的微型機器人裝上變速箱，看看它們表現如何。

蠕動機器人的每一段都設計為四面的Sarrus連桿機構，研究人員使用了一個雙桿連桿來連接齒輪箱的輸出軸和Sarrus連桿的一端，通過磁力驅動實現有節奏地收縮和擴張。

不僅可以在地面上爬行，還可以進入狹窄的管道：

受跳蚤啟發，研究人員還開發了一個毫米級的跳躍機器人，通過齒輪驅動機器人腿部彈簧的一拉一松，類似彈簧的能量可以產生壓力，然后立即釋放。

這種跳躍機制允許機器人反復跳躍，觸發后，25.2mg的機器人能夠在0.75 ms內快速伸腿，起飛速度達到2.3 m/s，跳躍高度可達119 mm（38.4 身長），水平位移可達218mm（70.3身長）。

考慮到醫療應用，研究人員還開發了穿刺機器人和注射機器人，穿刺機器人可以用伸出針頭穿透物體，再縮回針來獲取樣本。

注射機器人將液體吸收到腔室中，齒輪箱可以拉伸彈性儲存器，注射液體時，將輸出軸旋轉到另一方向，排出彈性儲存液的液體。

除此之外還有夾持機器人，通過將夾具集成到平行彈性折疊機構中，可以實現可重復的夾持和打開，如圖，機器?快速捏緊凝膠后，被磁場拖拽，撕下?塊凝膠。

未來將進一步優化

這項研究發表在《Science Robotics》中，由馬克斯·普朗克研究所的一組研究人員與哈爾濱工業大學的兩位同事合作開發，論文標題為“Magnetically actuated gearbox for the wireless control of millimeter-scale robots”。

在論文的末尾，研究人員表示，開發下一代磁驅動微型齒輪箱仍需克服，未來會進一步考慮以下方面：

首先，變速箱的最大輸出扭矩和密度受到環氧樹脂材料強度的限制，使用強度更高的材料制造齒輪將增加其負載能力。

其次，變速箱內部的齒輪系對外部空間是開放的，使得它容易受到周圍環境中的?顆粒的影響，?顆粒會粘附在輪齒表面，降低齒輪嚙合質量。需要一個防護罩將齒輪與周圍環境，使齒輪箱在灰塵等?顆粒的存在下也能正常工作。

第三，齒輪箱的制造需要手動組裝，這降低了制造效率。      

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DOI: 10.1126/scirobotics.abo4401