“蟲子機器人”來了

美國著名機器人制造專家羅德尼·布魯克斯曾吐槽：“如果我在1985年的時候說，再過25年人人的廚房里都會有電腦，那時不會有人相信。”

今天，電腦已經隨處可見。再過25年，人類會不會也把對機器人的使用，當成一種稀松平常的生活方式？或許，機器人的發展比人類想象得更快。隨著科研機構的發力攻關，如今，機器人已經內置越來越多的先進功能，例如高清攝影、觸摸感應、雷射測距等智能應用。而機器人領域之所以有巨大的進步，很大原因來自于芯片和電池技術的革命。隨著芯片、電池和感應器的尺寸越來越小，機器人的體積也在發生變化。

機器人的體型能做到多小？就在中國，2厘米的昆蟲機器人已實現脫線可控爬行，來到了人們的身邊。

研究人員只需要在移動終端發送指令， 該昆蟲機器人就能在桌面上前進、后退、轉彎或者沿著圓形路線轉圈，甚至能在無線遙控下穿越一堆石塊障礙。

小身軀，大科技

近日，北京航空航天大學（以下簡稱北航）科研團隊歷經多年研究，在國際學術期刊《自然·通訊》發表了新成果——仿生昆蟲機器人BHMbot。

這款昆蟲機器人身長2厘米、寬1厘米、重1.76克，垂直投影面積僅兩個指甲蓋大小，尺寸雖小，可“五臟俱全”。

“在機器昆蟲內，我們植入了能源、控制、通信和傳感系統。”北航科研團隊成員、北航助理教授劉志偉稱，動力系統是機器人的心臟。普通機器人通常靠電動機驅動，微型機器人內部空間不足以承載大容量電池，往往需外接通電線持續供電，其自由移動因此受限。該團隊開發出基于直線式驅動、柔性鉸鏈傳動的新型動力系統，讓微型機器人成功擺脫電機與外接電線。

其中，直線式驅動器將“體內”小型電池輸入的電能轉化為機械能，并向外輸出機械振動；柔性鉸鏈傳動機構，將機械振動轉換為昆蟲機器人腿部的周期振動，進而帶動整個機體實現高頻彈跳運動。

“通俗講，‘體內’微型電池促使一旁的磁鐵振動，再帶動腿部關節運動。”劉志偉說。

細看BHMbot，它可以通過電動馬達所連接的齒輪，精確推動車輪、腿和手臂運動，就像肌肉推動肢體的動作一樣。

據悉，為了讓昆蟲機器人實現高度仿生，北航科研團隊還設計了仿生奔跑步態，通過步頻和步幅的自適應調節，可實現高載重下快速爬行和運動軌跡精確控制。研究人員只需要在移動終端發送指令，該昆蟲機器人就能在桌面上前進、后退、轉彎或者沿著圓形路線轉圈，甚至能在無線遙控下穿越一堆石塊障礙。

值得一提的是，BHMbot能夠在負載5.5倍自身質量重物后實現快速爬行，且能夠維持25倍身長每秒（約50厘米每秒）的速度。這在國內外脫線機器昆蟲中，處于性能領先地位。

十年磨一劍

盡管在操作過程中，BHMbot完成各項動作的姿態看起來非常輕松，但要實現這些技術，卻要克服重重困難。

如何盡可能地縮小動力裝置體積？如何提高昆蟲機器人的載重能力和能源效率？如何將發動機做得更小、更精？北航能源與動力工程學院院長閆曉軍早在十多年前，就為了這些目標，遠赴海外訪學。其間，他受到其他交叉學科的靈感啟發，在2010年回國后，開始著手研究昆蟲機器人。

之所以將微型機器人做成昆蟲形態，是因為當機器人的尺寸下降到厘米甚至毫米級別時，腿式運動的效率更高，運輸成本更低。即同等能量下，腿式驅動爬行的路程比其他形態更遠。

“我們的昆蟲機器人采用仿生奔跑步態，它的速度隨載重呈現先增后減的趨勢，這意味著在一定條件下其負載速度甚至可以超過空載速度。”閆曉軍說。

事實上，2023年，國際權威期刊《科學·機器人》就報道了北航機械工程及自動化學院仿生機器人研究團隊與清華大學、新加坡國立大學合作，在仿生柔性機械臂領域取得的進展。

當時，北航團隊發明的融合柔性電子的仿生機械臂，已具有極高的自由度，能夠像章魚一樣抓捕物體，為應對復雜環境下的機械作業提供了新的方案。

此外，北航團隊還首創了一種基于雙腿頻率差的控制方法，自主研制了厘米級的微型控制和通信電路，通過預設程序，讓昆蟲機器人兩條前腿的振動實現不同頻率的運動，從而實現圓形、矩形甚至更復雜的運動軌跡。

閆曉軍表示：“學術和科研是在不斷追求極限，而昆蟲機器人就是典型代表。”

當前，全球在前沿技術領域的競賽日趨激烈。昆蟲機器人的相關技術，也成為美歐頂尖高校實驗室的重點攻克對象。而北航在微型機器昆蟲領域處于技術第一梯隊，BHMbot的零部件和技術也都是自主研制。

作為對比，2023年康奈爾大學研制出長29毫米、重1.6克、能夠垂直跳躍59厘米、負載自身重量22倍物體進行爬行的機器昆蟲，但它依靠氣體之間的爆炸來提供動能，所以存在自燃風險，并且該機器昆蟲沒有實現脫線作業。

而在脫線昆蟲領域，以哈佛大學2020年的HAMR-Jr機器昆蟲為代表，其體長2.25厘米，重約0.3克，速度約30厘米每秒。相較于HAMR-Jr，BHMbot的體積更小，速度更快，負載更強。

對比目前的國際先進微型機器人，閆曉軍對自己的科研成果信心十足。他稱：“一般的機器昆蟲往往做得很大，在4厘米以上，一些場景和空間無法進入……”

“成群結隊”

現階段，BHMbot昆蟲機器人仍停留在實驗室研究階段，閆曉軍預計3到5年內，昆蟲機器人能達成大型機械裝備的檢修檢測和災后救援的重要應用。

據北航科研團隊介紹，目前BHMbot已經完成求救信號采集驗證，可以模擬災后搜救的場景。在模擬場景中，BHMbot能夠穿過石頭等障礙物后到達倒塌房屋附近，然后采集房屋內部發出的求救信號并將其回傳至控制端，從而精確定位救援場景，分析救援路徑。

憑借體積小、機動性高的特點，BHMbot未來還可以攜帶圖像采集模塊進入發動機內部開展結構損傷的檢測，這能夠彌補現有機械裝置故障后，人類通過目視檢測和孔探檢測可達性不足的缺陷。

目前，BHMbot已實現在航空發動機內部曲面結構上的脫線可控爬行——小小的昆蟲機器人爬進發動機內部，能看到更多過去看不到的地方，并將錄像實時傳回手機屏幕，幫助工程師提前發現機械故障。

從更長遠的角度看，在昆蟲機器人的小型芯片上搭載人工智能技術，以及實現群體機器人協作，也將是探索方向。群體機器人運用先進的分散式運算能力，讓成群的機器人自我組織、解決問題，透過彼此協調，進行搜救或制造，可達到驚人的效果。

值得注意的是，群體機器人協作的細分領域已有進展。

早在2014年，哈佛大學研究人員就組織起了史上最大的機器人集群，他們使用美元一分錢大小的1024具微型機器人，它們能夠找到彼此、互相合作，組成各種復雜的形狀，例如星形、某個字母的樣式，等等。

設想一下，在災后救援中，通力合作的機器人分工合作，以最大可能收集受害者的信息資料，并及時匯總傷亡情況，必將能極大縮短救援時間，提高救援精度。

而在機械維修中，群體機器人也可以代替人類進行細節修補，更好地節約裝置拆卸的時間和損耗。

閆曉軍表示，他們計劃進一步提升BHMbot的性能和控制能力，讓它“更聰明”，能夠根據環境和地形實現自主避障，既能“翻山越嶺”，又能“通曲尋幽”。

展望未來，可以預見機器人“無所不在”的前景，將有越發智能的機器人，在工業、軍事、醫療和家庭生活中，幫助人類解放雙手、提升效能。