伊利诺伊大学的工程师团队最近在《智能材料与结构》杂志上，发表了首个记录3D打印昆虫机器人垂直跳跃的研究。该研究详细描述了利用先进的3D打印技术制造出的具有惊人跳跃能力的昆虫级微型机器人。

这项研究由机械科学与工程系副教授、拉尔夫·A·安德森学院学者Sameh Tawfick教授领导，他的实验室动力学材料研究小组致力于开发人造肌肉，作为其仿生材料制造重点的一部分。他们受到蝗虫跳跃机制启发，成功利用卷绕人造肌肉执行器和投影增材制造技术，生产出具备惊人弹跳能力的昆虫级微型机器人。

3D打印的软体机器人

近年来，对软机器人的增材制造的研究采取了多种形式。例如，在2020年1月，康奈尔大学的研究人员开发了一种3D打印的软机器人肌肉，能够“排汗”。使用基于水凝胶的复合树脂和立体平版印刷术（SLA），生产出可以保留水并响应温度的柔软的手指状致动器。

2019年8月，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员创建了多色3D打印传感器，以帮助软机器人提高自我意识和适应性。通过创新一种灵活的嵌入式3D打印传感方法，研究人员增加了机器人与物体之间的相互作用。

制造昆虫机器人的主要挑战之一是重建复杂的外骨骼结构力学。外壳需要提供多种功能，包括结构支撑、关节灵活性和身体保护，同时提供传感、抓取和附着的功能表面特征。研究小组观察到，昆虫四肢的活动能力是由刚性、柔性和梯度刚度元素的排列决定的，而昆虫的外骨骼是刚性和柔性机械部件的混合结构。因此，未来的迭代需要一种混合的构建方法，以便更好地反映它们所基于的昆虫模型。

以前创建昆虫灵感机器人的尝试需要使用多材质3D打印机和多步铸造过程。例如，罗切斯特大学（University of Rochester）的科学家在2015年创造了以水骑手为灵感的跳跃性机器人昆虫。不过，根据研究人员的说法，这种受生物启发的机器人看上去更像是刚性的工业机器人，包括僵硬的链接和刚性高传动比的电动机。

最近，机器人专家开始使用多材料3D打印，激光切割，层压和压铸法，将身体和四肢的适应性纳入机器人设计中。这些制造技术也有缺点，因为它们通常以获取昂贵且耗时的制造工具为代价，这些工具提供了有限的材料选择。

为了使他们能够以更节省成本的方式3D打印柔性和弹性外骨骼，研究团队设计了一种新颖的混合方法，称为弹性骨骼打印。使用熔融沉积建模（FDM）3D打印机和标准的长丝材料（例如丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS））使该方法更便宜且更易于使用。此外，新技术不同于传统方法，而是通过将3D刚性细丝直接打印到加热的热塑性薄膜上，来制造软机器人。这种方法为沉积的材料提供了灵活而坚固的基础层，并能够精确控制机器人体内关节和支杆的刚度和特性。

可实现60倍身体宽度跳跃

Sameh Tawfick教授表示：“这是第一次有人在昆虫仿生机器人中展示了跳远能力。这很重要，它为微型机器人提供了更好的移动性，它现在可以从A跳到B，穿越比自身大小更崎岖的地形。”这一发现标志着昆虫级微型机器人的跳跃性能取得了重要的突破，此前这一领域受到了诸多限制，如小规模制造工艺以及材料和微型执行器的有限可用性。

该团队在研究中采用了四连杆跳跃设计，其灵感来自蝗虫。蝗虫是出色的跳跃者，它们依靠强大的后腿和腹部肌肉的协同作用，实现长达自身身体长度几倍的跳跃距离。而机器人的设计则依靠一块肌肉来服务于连接系统，通过这块肌肉的收缩和舒张，推动机器人进行跳跃。

昆虫微型机器人的原型具有轻质弹性体和由盘绕、热处理的尼龙钓鱼线制成的人造肌肉。Sameh Tawfick教授的实验室此前开发了生产这些微型线圈的机器，这使得他们能够快速、准确地制造出这些体积小巧但跳跃性能强大的昆虫级微型机器人。研究人员设计并测试了通过增材制造生产的108个机器人迭代，最小的机器人质量仅为0.216克，却能够在水平距离上跳跃其身体大小的60倍。昆虫级微型机器人的开发对于农业和维护应用具有重要意义。例如，未来的机器人可以配备传感器来收集农作物或机器内部的数据。

Sameh Tawfick教授在谈到昆虫级微型机器人的预测能力时说道：“这些机器人可以到达无人机目前无法到达的地方。它们成本低廉，能够进行大规模生产。”

该团队的下一步研究将集中在探索机器人的运动规划上。他们希望通过优化算法和控制系统，使机器人能够有效地执行跳跃动作，同时最大限度地延长电池寿命。此外，他们还将研究如何找到最有效的运动路径，以及如何处理由跳跃运动引入的不确定因素。

Sameh Tawfick教授表示：“我们未来的梦想是执行一项小任务，让机器人执行多次跳跃，直至达到目的地。这将使我们能够测试它前往指定点、收集图像并返回起点的能力。”同时他也指出，他们的方法已经为该领域的其他研究人员提供了新的思路和工具，相信未来会有更多的创新和应用出现。

“昆虫机器人”有何用处？

随着科学技术的发展，机器人的体型越来越小，也越来越轻量化，同时也诞生了许多模仿昆虫的微型机器人，这些“昆虫机器人”有何作用？

1989年，世界上第一台全自主的昆虫机器人Genghis研制成功,主要用于研究行为控制。昆虫机器人是基于复杂机构学、运动学、动力学、昆虫步态、控制、神经网络、多生命体系统等的研究，其应用领域有太空探险、科学探险、排雷、教学科研平台、博物馆展示、娱乐等。

2013年，有科研团队曾研制出能像敏捷的昆虫一样飞行的微型机器人，其羽翼由碳纤维构成、重量远不足1克并拥有超高速电子“肌肉”，这种微型飞行机器人可以在倒塌的建筑物里、在微小狭窄的空间中飞行、搜寻幸存者，可用于灾区搜救行动和环境监测等。2018年，科研人员曾根据跳蛛、蜜蜂的生物特性来设计微型仿生机器人，据介绍，这种机器人可能能模仿一种北美东部较常见跳蛛的强悍弹跳能力。未来这些吸收了昆虫属性的机器人或许能为工业等领域带来新的技术变革。

微型机器人让我们看到了未来机器人发展的更多可能性，在科研技术克服了材料与能源供应等难题之后，“昆虫机器人”的“身材”将会缩得越来越小，它们的用途也将更加多元。将来，它们可能会去到许多人们不能进入的角落和缝隙；或许还可用于环境监测，分散到一些栖息地检测微量化学物质或其他因素，或许可以像许多真实的昆虫一样协助作物授粉。

同时，仿昆虫跃翔机器人可在跳跃的基础上进一步滑翔，最大程度提高了能量利用率及环境适应能力，具备灵活、小巧、易于隐蔽等特点。在民用领域可携带相应的任务载荷，在复杂环境完成火灾检测、农田监测、密闭空间巡检等任务。仿生特种机器人在军事应用、抢险救灾等场景中可以部分甚至全部替代人工作业，据调研特种机器人产业年均增速17.8%，预计2023年市场规模将超过200亿美元。

文章来源： 机器人大讲堂，模具那些事，新疆科技馆，北京理工大学