微型机器人的多样应用与创新设计

尽管微型机器人体积小巧，但其用途却非常广泛。这些机器人能够穿越狭窄的空间，适用于许多特殊场景，如在地震后的废墟中搜寻幸存者，进入复杂机械设备和管道系统中进行检测，甚至在人体内部的器官和血管中执行医疗任务。微型机器人已成为机器人学和工程学研究的重要领域之一。

最近，土耳其毕尔肯大学的研究团队推出了一款名为SMoLBot的微型机器人，这款机器人采用了模块化设计。SMoLBot结合了传统机器人技术和新兴的折纸和软体机器人技术，展现出精巧的设计和多功能性。该研究已于今年7月发表在《IEEE机器人与自动化通讯》期刊上。

折纸+软体+模块化设计的SMoLBot

在一次题为“为什么我要制造米粒大小的机器人”的TED演讲中，Sarah Bergbreiter教授描述了微型机器人的潜在应用：“想象一下，在地震后的废墟中，这些小机器人穿梭其间，寻找幸存者；或者设想一下，微型机器人在你的血液中游动，进行健康检查，甚至可能在无需手术的情况下完成治疗。”（感兴趣的读者可以搜索这个演讲视频，既能学到科学知识，又能练习英语）。

与常见的大型机器人相比，微型机器人制作成本低，结构简单，动作灵活。它们非常适合用于需要小尺寸的应用场景，如检测和救援。微型机器人的高操控性、稳定的运动能力和适应复杂环境的能力使它们能够通过极窄的空间，探索各种复杂环境。

常见的微型机器人包括来自麻省理工学院的Self-folding机器人、来自瑞士洛桑联邦理工学院的Alice移动机器人、哈佛大学的HAMR以及加州大学伯克利分校的DASH机器人。

SMoLBot的模块化设计

SMoLBot是一款集折纸技术、软体机器人技术和模块化设计于一体的微型机器人。该机器人由土耳其毕尔肯大学的研究团队开发，已于今年7月发表在《IEEE机器人与自动化通讯》期刊上。SMoLBot小巧精致，外观简约，动作像一只机械昆虫。SMoLBot的身体由多个相同或相似功能的模块组成，可以根据不同应用场景选择2个或3个模块。模块之间的连接采用柔性或刚性的“仿生脊柱”（PDMS材料）。

这种模块化设计使得SMoLBot的生产变得简单快捷且成本低廉。当某个模块出现故障时，更换和维修也非常方便。每个模块包括一个“身体部分”和两条独立控制的“机械腿”。外部包裹着小型控制板（Atmega-328P）、两个直流电机（微型行星齿轮减速电机）、一块微型电池（3.7V, 150mAh Li-Po电池）以及两个机械锁扣结构。模块的框架结构由“折纸设计”切割组合而成。

SMoLBot展示了其灵活的动作，接下来将详细介绍其结构设计及一些简单的测试。

SMoLBot的结构设计及测试

SMoLBot的身体模块采用100微米厚的“醋酸纤维素纸”切割而成，这是微型折叠机器人常用的材料。为了增加结构强度，研究者采用了T折叠结构和锁扣固定结构。当身体模块按设计折叠后，外部空间得以充分利用，可以依次放入电池、脊柱连接件、电机和控制板等部件。

研究者设计了一种“易拆易装”的连接结构嵌入到身体模块中。脊柱模具是3D打印的，通过改变模具形状，可以得到不同截面形状的脊柱。使用不同材料铸造，可以得到不同硬度的脊柱。在此研究中，研究者选用PDMS材料，通过不同的材料配比得到不同硬度的脊柱模型。

SMoLBot的机械腿采用了经典的“四连杆”机械结构设计。每根杆的长度和位置都经过优化，电机放置在B点，足端轨迹输入点位于E点。当电机持续旋转时，足端可以产生一个椭圆的连续轨迹，这种轨迹既能够最大程度地接触地面，又会周期性地抬起，满足微型机器人的腿部运动要求。

对于双模块四足SMoLBot，研究者采用了一种对角小跑步态设计，即对角的腿有着相同的运动相位，而另一侧的腿则相差180度。对于三模块SMoLBot，第三个模块和第一个模块具有相同的运动相位。

研究者进行了脊柱刚度对SMoLBot步态稳定性影响的实验。在光滑和粗糙的地面上进行了测试。实验结果表明，柔性脊柱的稳定性优于刚性脊柱。在粗糙的地面上，柔性脊柱的优势更为明显。

未来展望

微型机器人可以在原子级别上工作，应用于精密制造业的加工和检测，同时也能携带摄像机和微型光纤，进入人类难以到达的地方进行环境观察、图像存储或传输。SMoLBot结构简单，外观精美，所用材料也容易获取，感兴趣的读者可以尝试自己制作一个类似的微型机器人，进行一些探索活动。

总的来说，SMoLBot充分利用了折纸机器人和软体机器人的优势，通过模块化设计提高了步态柔顺性和可控性。未来的研究将进一步优化脊柱设计，并尝试增加模块数量，以获得最佳步态模型。