厉害了！哈佛这款47mg的吸附机构让微型机器人飞檐走壁，如履平地！
导读
许多昆虫在倾斜或者是翻转的表面上有着令人称奇的行走能力，然而这对于昆虫大小的腿足机器人而言仍然是很大挑战。假如在足端设计吸附部件，在行走过程中反复的抬腿落腿会带来很多问题，包括步态不稳定以及吸附力降低。因此需要特别设计攀爬步态，超凡的吸附能力，以及一些传感和控制来保证机器人不会从倾斜的表面脱落。针对这个问题，来自哈佛大学的软体和微型机器人实验室（Soft and Microrobotics Lab）的研究者近期在国际著名机器人期刊《IEEE机器人与自动化通讯》（IEEE Robotics and Automation letter）发表一篇文章，提出了一种新的解决方案，即借助在毫米尺度液体的毛吸现象和润滑作用产生的吸附效应，设计了一块仅重达47mg的被动吸附片，并将它安装在一个1.4g的仿昆虫微型四足机器人的“肚子”上。有了这块吸附片，机器人可以轻松自如地在各种角度的表面穿行自如。研究者通过数个实验证明，这种极其轻便，简单，但却可靠稳定的被动吸附方案对于有着限制的传感，驱动和控制能力的微型机器人来说十分有用。
图1 大自然的生物具有非凡的攀爬吸附能力
1. 巧妙吸附机构让微型机器人在墙壁上倒挂行走
研制可以行走在倾斜，垂直，甚至是翻转的表面上的微型腿足机器人有着广泛的应用场景，例如对于复杂形状的机械结构内部进行检测，或者是在极其不规则的狭小环境中执行搜救任务。科学家们研发了各式具有超强吸附能力的机器人。他们之中有的借助于特殊的材料特性，有的借助于物理原理。目前在吸附机器人上的主流研究可以分为两大类，第一类是借助于某种常见的物理现象设计的吸附机制，包括静电力吸附，磁力吸附，以及真空吸附等。
图2. 基于常见物理现象的吸附
第二类则是受到生物启发的吸附机制，其中有在较为粗糙表面（砖墙或者是树干）的钉爪抓附，或者是在光滑表面的，受到壁虎脚趾启发的利用范德华力的干性吸附，以及启发自昆虫足端，基于液体毛吸现象的湿吸附。
图3 基于仿生的吸附设计：壁虎吸附和静电吸附
昆虫的质量和体积都普遍较小，因此在毫米尺度的时候，一些我们日常生活中注意不到的某些物理现象会表现得尤为明显，比如液体的张力和毛吸作用就会非常明显（一个非常典型的例子就是当一些水滴附着在杯子内壁上时，需要花费一些力气才能将它甩下来）。自然界中有许多昆虫足上都有吸附垫, 这些垫子经过进化能吸附在各种表面上, 并能在运动中控制吸附力。像蚂蚁、苍蝇、甲虫、蟋蟀等许多昆虫足上都有着形态各异的粘性吸附垫。一些昆虫在光滑表面能抵抗超过它们自身重量100倍的分离力, 并且还能在这些表面上自如行走。
图4 蚂蚁的吸附机制
启发自昆虫足端的粘性湿吸附，来自哈佛大学的软体和微型机器人实验室（Soft and Microrobotics Lab）的研究者们提出了一种新的吸附方案，借助在毫米尺度，液体的毛吸现象和润滑作用的产生的吸附效应。研究者们设计了一块仅重达47mg的被动吸附片并将它安装在一个1.4g的仿昆虫微型四足机器人的腹部。
图5 带有吸附功能的微型机器人
在设计足式爬墙机器人时有两大挑战，一是在行进间足部反复的抬起落下，二是在行进间要不断调整姿态以稳定机器人中心的运动。这两大挑战让设计足式爬墙机器人变得较为困难。在本研究中，借助于这款安装在身体底部的被动吸附片，足式机器人不再需要重复的抬起和落下足部。我们先来看一下这款被动吸附片的一些表现（文末附有完整视频和论文信息），具体的设计机理和一些详细的测试会在第二部分为大家解析！
有了这个吸附片，微型足式机器人实现了在一个倒转的平面上以0.3cm/s的速度爬行，同时，它也可以以23.6度每秒的速度转弯。
图6 倒立吸附爬行展示
图7 借助吸盘爬上30度“陡坡”
研究者针对不同的表面，对装有吸附片的微型机器人进行了拖拽实验，即机器人本身不提供前进动力，而是由实验人员提供，以此来检测吸附片在不同表面情况下的吸附效果。可以看到，无论是过山车轨道一般的圆形表面，干燥或是湿润的玻璃表面，吸附片都可以将微型机器人牢牢“锁定”在上面。由此可验证该被动吸附设计的可靠性以及广泛的适用性。
图8 圆弧曲面吸附拖拽实验
图9 倒立吸附拖拽：表面有水和无水比较
图10 不同表面拖拽行走比较
2. 设计思路和原理
当一个足式机器人正常地在水平表面行走时，它的足部重复交替和地面发生接触同时推动机器人向前。这个时候，机器人的重力全部用来产生摩擦力，在支持力和摩擦力共同作用的情况下，机器人保持相对稳定行走。但是，当行走表面逆转过来的时候，情况则完全不同了，如果采用类似于在平地上的步态，我们在机器人每只脚底都装有吸附片，那么当机器人的一部分腿抬起时，前进的摩擦力将由吸附力减去重力而产生，从而大打折扣，同时，前行时足部的抬起落下对于机器人的稳定性也造成影响，因此对于吸附片的吸附能力要求大大提高。
图11.足式吸附片和腹部的被动吸附片相互比较
假如我们换一个思路，将足部的吸附片移植到腹部，保持一个长期的被动吸附状态，从而避免了吸附片的重复的接触和抬起，这样一来，当行走在倒转平面上时，机器人的步态将会更加的稳定。
本研究中的机器人所采用的吸附原理是毛细吸附和润滑作用共同作用的吸附片，当机器人以慢速前进时，比如1cm/s，前进中的表面张力的吸附作用要占主导地位，流体粘性表现比较弱，在前进时候表面摩擦力也比较小。当速度提升以后（机器人被快速拖拽向前），液体粘性会发挥作用，因而产生了粘着力和剪切流。
图12.快速和慢速下液体表现不同的吸附效应
图13 被动吸附片的设计
研究者设计了一些实验来验证吸附效果。他们将吸附片安装于与一个静态的微型机器人底部，在倒转和垂直的表面进行了拖拽实验。
研究者在吸附片表面放一些水滴，然后将机器人吸附于一个亚克力板表面。在倒转的平面，湿润表面的稳定拖拽速度可以达到1.2cm/s，而在干燥表面的拖拽速度大约0.6cm/s，仅为湿润表面的1/2.
图14. 倒转爬行，干燥和湿润表面的拖拽实验快慢比较
在垂直的平面，湿润表面的稳定拖拽速度可以达到0.9cm/s，而在干燥表面的拖拽速度大约0.7cm/s。
图15. 垂直爬行，干燥和湿润表面的拖拽实验快慢比较
吸附片在不同材料的表面也进行了拖拽测试，其中，在不锈钢表面和木头表面的拖拽速度可达到0.8cm/s，在玻璃表面的拖拽速度大约为1.6cm/s。随着拖拽的进行，机器人身体底部的水膜会越来越薄，从而导致吸附力的下降和摩擦力的上升，最终机器人可以在这些表卖弄被拖拽100cm而掉落。在湿润的玻璃上，机器人的拖拽距离可以达到250cm，可以保持吸附长达140s。
图16. 垂直爬行，不同材料的表面拖拽实验比较
另一个拖拽实验是在一个圆弧内侧表面上，从圆弧低端，类似过山车一样稳定的慢速通过了圆弧顶端。机器人可以在135秒内以1.2cm/s的拖拽速度走完这个半径为50cm的圆弧。
图17.圆弧内侧表面拖拽实验
研究者借助于HAMR机器进行了自主吸附行走测试，HAMR是大家的老朋友了，之前的文章中已经出现过很多次，它是一款大约4.5cm长，1.4g重的微型四足机器人。在一个倒转的亚克力板表面，机器人在36秒内自主前进了12cm，速度大约为0.3cm/s。在一个湿润的亚克力板表面，机器人可以在30秒内前进4cm（速度慢的主要原因是摩擦力减弱，机器人会出现滑动）。
图18.HAMR机器人在翻转的表面自主行走
HAMR也进行了自主转弯测试。期间，它在48秒内转弯200度。旋转速度最快可达到23.6度/s。
图19 HAMR吸附转弯测试
借助于被动吸附片，HAMR可以自主爬上近乎30度陡坡，它在311秒内爬行了12.5cm，平均爬行速度约为0.04cm/s。
图20 HAMR吸附陡坡爬行测试
3. 总结
研究者指出，这种吸附设计的主要优点是消除了在吸附行走过程中和表面反复吸附脱离的机制，因此排除了不稳定的扭矩或干扰。此外，这种被动吸附设计重量轻，易于制造，并且可以让机器人粘附到各种不吸水的表面，例如玻璃，塑料，不锈钢和木材。
尽管具有这些优势，但研究者指出，它们的机器人目前还无法在光滑表面上垂直爬升。当然，这不是附着力的限制导致的，而是因为足部的摩擦力不够而产生滑动。这个问题可以通过在机器人脚底添加静电粘附机构，从而机器人的脚会产生攀爬摩擦，而粘附垫则主要提供粘附力。
由于在目前的吸附过程中，吸附片底部的水膜会慢慢被消耗掉，因此，未来可以持续提供用用于附着的液体到吸附片，从而通过控制水膜厚度调节吸附力的大小。另外，实现可调粘附力和摩擦力，将进一步使机器人需要切换不同爬行表面时更加顺畅自如。
文末视频：
文章信息：
Chen, Y., Doshi, N., & Wood, R. (2020).Inverted and inclined climbing using capillary adhesion in a quadrupedalinsect-scale robot. IEEE Robotics and Automation Letters.
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9121677
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