大家好！今天来了解一种微型机器人——《An agile multimodal microrobot with architected passively morphing wheels》发表于《SCIENCE ADVANCES》。这个微型机器人，具有独特的设计和卓越的性能。它带有被动变形轮子，这种轮子的设计灵感源自生物结构，具备独特的工作原理。它集成了多种优势，拥有多模态运动能力，在多个领域展现出巨大的应用潜力，接下来让我们一起深入探究。
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景与创新点
（一）微型机器人的应用与挑战
微型机器人（长度<15cm，质量<20g）能够进行多模态运动，在检测、探索、救援和生物医学等多个领域都有着潜在的应用价值（可在多种地形上跳跃、爬行和行走的无缆多模态微型机器人）。
然而，要在单个微型机器人中同时实现优秀的机动性、低功耗和高鲁棒性是具有挑战性的。现有的方法包括配备可变形体（如光驱动软微型机器人）和组合不同驱动组件（如混合空中-水生微型机器人），但都存在一定的局限性。
（二）本文创新点
本文提出了一种新颖的设计，即基于犰狳装甲结构启发的被动变形轮的架构设计。这种轮子能够依靠生物启发的触手结构的不对称弯曲刚度，在不同的滚动方向上稳定在不同的几何构型。通过将这种被动变形轮与电磁电机和柔性体集成，开发出了一种高度紧凑、轻量的多模态微型机器人。
二、多模态微型机器人设计
（一）整体结构
该微型机器人由两个被动变形轮、两个电磁电机、一个支撑轮和一个柔性体（图案化柔性印刷电路板FPCB）组成，整体长度约为32mm，质量约为4.74g。
（二）被动变形轮设计
1.结构特点
被动变形轮配备了独特的触手结构，灵感来源于犰狳的装甲结构。这些触手结构由两种弹性模量不同的材料制成，T形块的弹性模量为1362MPa，柔性膜的弹性模量为0.536MPa，整个轮子通过数字多材料三维打印技术制造。
2.工作原理
在运动过程中，触手会呈现出三种典型状态：收缩状态、伸展状态和中间状态。当轮子顺时针滚动时，触手由于低弯曲刚度而附着在轮体上，此时T形块相互分离，对应触手收缩状态；当轮子逆时针滚动时，T形块相互接触，弯曲刚度大幅增加，对应触手伸展状态。这两种状态可以通过简单地控制轮子的旋转方向可逆地切换，中间状态则是在这两种状态转换过程中的过渡状态。
3.力学性能量化
为了量化轮子的力学性能，引入了触手的等效弯曲刚度（EI）。通过有限元分析（FEA）和实测数据表明，触手伸展状态的等效弯曲刚度是收缩状态（或中间状态）的17倍以上。
（三）基于生物启发的触手结构设计方法
1.理论模型
基于梁理论开发了一个理论模型，用于预测触手沿顺逆时针方向的弯曲变形。触手的初始形状可以由六个几何参数描述，包括触手宽度（t）、柔性膜厚度（h）等。
2.弯曲变形分析
定义了等效曲率来分析弯曲变形，通过研究不同触手设计的弯曲力矩（M）和等效曲率（k）的关系，发现M-k曲线近似双线性，这是由于T形块的接触导致了不同的等效弯曲刚度（EI）。
3.参数研究与设计建议
通过参数研究，分析了薄膜厚度（h）和触手宽度（t）等参数对M-k曲线的影响。
为了实现不同的运动步态，建议采用低EI₁以保证滚动步态的稳定和快速，同时采用高EI₂以确保在爬行/攀爬步态时能够成功越过障碍，并且需要有较高的刚度比EI₂/EI₁。通过选择合适的参数，可以在较大范围内调整刚度比。
4.关键曲率与几何构型确定
由理论模型得出了临界曲率kcritical，它决定了触手伸展状态的几何构型，并且受到四个几何参数（a,q,c,L）的影响。
5.逆设计方法
基于上述理论模型进行逆设计，通过选择合适的几何参数来实现触手伸展状态的期望构型。给出了三个目标曲线示例（椭圆弧、双圆形曲线和多项式曲线），实验结果与目标曲线的几何构型吻合良好，验证了逆设计方法的有效性。
三、微型机器人性能测试
（一）运动步态与性能
1.三种步态
由于独特的被动变形轮设计，微型机器人具有滚动、爬行、攀爬三种步态，分别由电磁电机的不同旋转方向实现。
2.性能比较
速度与能耗：在平坦表面（如牛皮纸）上，滚动步态的最大速度可达21.2BL/s，成本运输（COT）约为89；而爬行步态的最大速度仅为0.94BL/s，COT约为635。
稳定性：滚动步态运动时轮子中心点的垂直坐标波动较小，比爬行步态更稳定快速。
转向性能：引入相对向心加速度（ar）来量化转向灵活性。在滚动步态下，随着右电机脉冲频率的增加，可达206.9BL/s。
步态切换：从滚动到爬行步态的切换需要约1.99s，从爬行到滚动步态的切换约需1.62s。
（二）不同地形适应性
1.斜坡
基于滚动步态，微型机器人可以在0.44s内爬上30°的斜坡，通过结合附加的由PDMS制成的adhesive layer，甚至可以爬上60°的斜坡。
2.隧道
当遇到高度受限的隧道（如高度为18mm的隧道）时，滚动步态可以使轮子直径变小，从而使机器人能够通过，而爬行步态可能因高度限制无法通过。
3.不平坦地形
在有砾石的粗糙地面和沙地等不平坦地形上，爬行步态比滚动步态更稳定。例如在有砾石的粗糙地面（砾石特征尺寸为8-12mm）上，滚动步态容易卡住，而爬行步态可以稳定通过；在倾斜（15°和30°）的沙地上，爬行步态也比滚动步态更稳定快速。
4.楼梯
攀爬步态可以使机器人爬上楼梯，平均速度约为12.4mm/s（0.39BL/s）。对于更高的楼梯（如步高为15mm的楼梯），需要采用更大的变形轮。
（三）鲁棒性测试
微型机器人展现出了良好的鲁棒性。它能够承受约14.55kg的压缩载荷（约为自身重量的3070倍），在被这样的重物按压后，仍能基于滚动步态迅速恢复并继续移动（见图3J）。
此外，从604mm高处落下后（高度约为自身的40.3倍），机器人落地时速度为3120mm/s，仍能调整姿势继续前进。
并且在携带1g和2g有效载荷时，也能够成功穿越各种地形，同时保持运动速度、灵活性和地形适应性的优势。
（四）混合地形运动
微型机器人在混合地形中也表现出了良好的导航能力。例如在包含平坦土地、楼梯和有砾石的粗糙土地的复杂环境中，机器人的运动过程可以分为五个阶段。在这个过程中，采用了三种不同的脉冲率（f1 = 1.14Hz，f2 = 7.55Hz，f3 = 15.09Hz），展示了机器人在不同地形之间切换运动模式的能力。
（五）与其他微型机器人比较
通过比较COT与运动速度以及相对向心加速度与身体尺寸，可以看出本微型机器人在运动速度和相对向心加速度方面表现突出，COT也接近许多昆虫，整体性能优于其他同类微型机器人。
四、无缆多模态微型机器人
（一）设计与组成
无缆多模态微型机器人由两个电池（3.7V，35mAh）、FPCB柔性体、两个被动变形轮、一个支撑轮和两个电机组成，尺寸为32mm×37mm，质量为6.40g。柔性体上配备了微控制器单元（MCU）、步进电机驱动芯片和红外传感器，以实现无线控制。
（二）性能测试
该无缆微型机器人最大运动速度为4.78BL/s，相对向心加速度为12.42BL/s²，能够适应如倾斜8°的沙地、有砾石的粗糙表面等复杂环境。
五、讨论与展望
本文提出的被动变形轮设计概念独特，所开发的微型机器人具有高运动速度、低功耗、优秀的灵活性和高鲁棒性等优点，无缆版本也展示出了良好的性能。未来的研究可以进一步集成各种传感组件（如温度、气体、振动、力传感器等），实现基于人工智能的自主决策和环境识别，并且纳入其他运动模式（如跳跃和水陆两栖运动模式），以拓展微型机器人的应用领域。
六、一起来做做题吧
1、微型机器人在多模态运动方面面临的主要挑战不包括以下哪项？
A. 优秀机动性与高鲁棒性难以平衡
B. 无缆化设计困难
C. 形状变形和维持变形配置需额外功耗
D. 微型化困难
2、被动变形轮的触手结构在顺时针滚动时呈现哪种状态？
A. 触手伸展状态
B. 触手收缩状态
C. 中间状态
D. 随机状态
3、用于量化触手弯曲变形的是以下哪个参数？
A. 等效弯曲刚度（EI）
B. 相对向心加速度（）
C. 成本运输（COT）
D. 临界曲率（）
4、在平坦表面上，滚动步态相比爬行步态，以下哪项说法正确？
A. 滚动步态速度更快，能耗更高
B. 滚动步态速度更慢，能耗更低
C. 滚动步态速度更快，能耗更低
D. 滚动步态速度更慢，能耗更高
5、机器人从滚动步态切换到爬行步态大约需要多长时间？
A. 1.62s
B. 1.99s
C. 0.44s
D. 1.55s
6、无缆多模态微型机器人的质量是多少？
A. 4.74g
B. 6.40g
C. 3.7g
D. 0.18g
7、无缆微型机器人中用于实现无线控制的传感器是？
A. 温度传感器
B. 红外传感器
C. 气体传感器
D. 振动传感器
参考文献：
Yuchen Lai et al. An agile multimodal microrobot with architected passively morphing wheels. Sci. Adv.10, eadp1176(2024).