登Science蒸汽朋克来袭跳跃搬运全凭自爆的机器人你见过吗
01 微型机器人的动力困境
微型机器人（Micro robot）因其微小体积能进入人类无法到达的狭小空间，而被赋予广泛用于化工细小管道检测、微观运输、基础设施安全检测、无创诊疗等领域的愿景。尽管前景广阔，研究热度居高不下，但受体积限制，微型机器人的动力问题长期面临瓶颈，阻碍其落地应用。
过往的微型机器人主要依靠电池进行动力驱动，电池具有安静、易与电动机器人集成等优势。但对于如昆虫一般大甚至更小的微型机器人来说，受机器人本体限制，电池这种便携式的可移动电源体积也必须缩小，与之匹配。
微型电池的能量密度限制了持续供电时间和功率输出，微型电机也难以产生强劲的机械动力，这导致现有的微型机器人普遍存在负重能力差、跳跃爆发力等问题，难以胜任在复杂环境中的灵活探索任务。
面对动力困境，传统研究思路是提升电池性能，但电池与微型机器积之间的矛盾注定了这条路难以达到质的突破。想要释放微型机器人的全部潜力，显然需要新思路。
02 “小爆炸”大动力
近日，知名“藤校”康奈尔大学的研究团队，提出了一种创新方案——通过燃料燃烧的小规模“爆炸”，为机器人提供快速、强势的驱动力。他们设计的“爆炸式”执行器重量极轻，能为厘米级机器人提供远超电池系统20-25倍的动力供给。
装配上“微型爆炸引擎”的昆虫级机器人，身高29毫米，重量仅为1.6克，但小小的身体却有大大的能量。凭借燃烧释放的能量，微型机器人跳跃和搬运两手抓，不仅可以实现垂直跳跃59厘米，还可以搬运超自重22倍的物体，展现出惊人的运动和负重能力。
这一突破性的研究成果《Powerful,soft combustion actuators for insect-scale robots》也发表在最新一期《Science》。
03 燃烧执行器的“暴力美学”
团队设计的“爆炸式”执行器，原理是将甲烷和氧气的混合气体注入执行器的燃烧室，利用电池提供的火花将其点燃，并将以0.55毫秒的速度产生瞬间爆炸，释放巨大能量，推动执行器快速膨胀。这种重复的爆炸循环，如同微型的“活塞运动”，每秒就可以实现5次爆炸，产生高达100牛顿的力，实现140%位移，为机器人提供电池系统难以匹敌的驱动力。
执行器的核心是由两个“燃烧室”组成，重量仅为325毫克，大小仅为一枚美元硬币的四分之一，非常精巧。对于执行器来说，最难的问题是其必须处理实际的爆炸，所以执行器采用抗高温的柔性材料制造，这样重复的“爆炸”就不会对机器人造成损坏，既提高了耐久性，又增强了抗冲击能力，并且十分耐用，据研究人员估计它可以连续运行超过750000个周期（50Hz下8.5小时），而不会出现任何性能下降的问题。此外，执行器的燃烧无需复杂的阀门系统控制就可自动停止，既简化了结构，进一步压缩体积，又提高了可靠性。
执行器利用“爆炸”这一高危现象的同时，在发挥了巨大能量的同时，又将危害降低最低，从中不难看出研究人员“高效且安全”的设计思路
可以说，这种看似“暴力”的工作模式，通过构件的精密设计实现了控制和利用，燃烧反应的热量和压力被有效约束在执行器内部，在效益和安全之间达到了完美平衡，并开辟了利用高密度化学燃料为机器人提供动力的新思路。
04 昆虫级微型机器人“大显神通”
基于“爆炸引擎”，研究团队制造了一款四足昆虫级微型机器人。这款1.6克重的微型机器人却蕴含着大能量，不仅能实现59厘米，是其身长20倍的跳跃高度，还可以承受自身重量22倍的负载运动，即便面对“承重冠军”蚂蚁也不逞多让，正如研究人员Shepherd说的那样：“这是接近昆虫水平的性能，不仅跳得高，跑得快，并且能承受很大的负载。”
机器人前脚和后脚的上方的动力器，能独立为四足机器人的两个脚垫充气，从而实现对定向运动的有限控制。通过控制执行器的点火时序，这种驱动系统可以实现缓慢爬行、快速奔跑、连续跳跃等运动模式，可以通过单边点火进行灵活转向，并且还能实现自动避障，满足复杂环境下的多样化任务需求。
05 结语
微型机器人最早由美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授于1959年提出，如今已成为备受市场关注和学者青睐的研究方向。以美国为代表的许多国家对进行工业狭窄空间、狭窄空间的微型机器人开展了大量研究，我国在此领域也有深入探索，并在医疗微型机器人等领域处于国际领先水平。
康奈尔大学提出的这项在微型机器人中应用高能“爆炸”式执行器的创新技术，无疑是机器人技术领域的一次重大突破，它开启了微机器人发展的新。这项技术的核心指出在于，利于化学燃料燃烧释放的爆炸性气体膨胀，以产生瞬间的强大动力，成功赋予昆虫级机器人强大的运动能力。这一思路颠覆了长期以来微型机器人面临的动力不足问题，也攻克了电池这种传统动力系统的局限，这为各类昆虫级别的微型机器人在实际任务中的应用提供了可能。
我们可以想见，在未来，这种执行器可能会被应用于各类微型探测机器人，如地震废墟搜救、管道和坍塌建筑内部探测等。这些机器人需要在复杂环境中快速移动或跨越障碍，对动力系统的要求极高。而燃烧执行器提供的爆发力可以满足这一需求。并且这项技术还可以在其他微型机器人上进行复刻，微型机器人不一定需要腿，它可以是一只快速移动的蛞蝓，也可能是一只扑腾飞行的蜜蜂。
当然，这项技术也还有一些挑战需要解决。但可以预见，随着技术的成熟，这一颠覆性的设计理念必将推动微型机器人的进一步发展，开拓更多前所未有的应用前景。
