承载22倍于自身重量前行，垂直跳跃59厘米，用爆炸驱动的昆虫机器人来了

         这款机器人由来自康奈尔大学的研究者研发，该机器人长 29 毫米，重量仅为 1.6 克，可以垂直跳跃 59 厘米，并且可以携带 22 倍（36 克）于自身重量的物品行走。

        小小机器人能量大爆发，身体如昆虫一般大小，却可以携带 22 倍于自身重量的物品，爬行、跳跃都不是问题。

        高于自身几倍的跳台，机器人一下子就跳上去了：

        更高的高度也是可以的：

        负重物前行：

        这款机器人由来自康奈尔大学的研究者研发，该机器人长 29 毫米，重量仅为 1.6 克，可以垂直跳跃 59 厘米，并且可以携带 22 倍（36 克）于自身重量的物品行走。相关论文《Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots》发表在 Science 上。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067

        该研究利用内燃机解决了驱动小型机器人的问题。他们将甲烷蒸气和氧气注入燃烧室，再用微小火花点燃混合物。

        不到半毫秒，腔室顶部像活塞一样向上膨胀，每秒重复一百次的循环产生 9.5 牛顿的力。机器人的每条腿有两个执行器驱动，这样就得到了一个异常强大的软体四足机器人。

        为该机器人每条腿提供动力的是两个执行器，重量仅为 325 毫克，大约是一美分硬币大小的四分之一。它们之所以如此小型，部分原因是大多数相关部件都在机外，包括燃料本身、混合和输送燃料的系统以及火花发生器的电源。

        该研究的项目负责人、康奈尔大学材料工程师 Robert Shepherd 表示：「执行器看起来就像一个鼓，它是一个空心圆柱体，顶部有弹性硅橡胶。为了驱动执行器足以使机器人跳跃或爬行，我们将甲烷和氧气流注入到每只足中，并通过电池产生的电力产生火花。气体之间发生反应形成水和二氧化碳，以小爆炸的形式释放能量，导致橡胶层变形，就像活塞一样。」

        Robert Shepherd 还表示：「微小的爆炸发生得如此之快，以至于没有火焰来燃烧或损坏橡胶。但它们提供了相当大的推进力：机器人可以跳到 56 厘米高，并能承载 22 倍于自身重量的负载。」

方法介绍

        该昆虫机器人最大的特点就是执行器需要处理实际的爆炸。这是一个很大的挑战，需要确保机器人在每次爆炸时不会自行燃烧。

        执行器及其组件材料如下图 (A) 所示，燃烧执行循环如下图 (B) 所示。该执行器非常耐用，研究团队估计它可以连续运行超过 750000 个循环周期（50Hz 下 8.5 小时），而不会出现任何性能下降。

        执行器的性能主要受两个因素影响：一个是驱动频率 f，一个是燃料 - 氧化剂浓度 φ，φ 可以用如下公式描述：

        下图描述了执行器的性能与驱动频率和燃料 - 氧化剂浓度的关系：

        为了深入研究机器人的运动机制，该研究构建了一个简化的系统模型，其中考虑了几个关键因素，包括硅橡胶膜（执行器膜）的弹性、电池内的燃料流动、燃料释放的能量、压力和温度。使用这个模型，研究团队可以预测执行器膜的位移值、执行器的阻挡力（blocked force）、机器人的跳跃高度，以及作为驱动函数的排气流率（exhaust flow rate）。

        为了证明微型执行器在驱动昆虫级装置方面的有效性，该研究设计并制造的由燃烧驱动的四足机器人如图 3 (A) 所示。每个燃烧室都是独立的，分别用来驱动前脚和后脚（图 3 (B)）。点火是通过火花来实现的，并导致腔室两端的弹性体膜膨胀（图 3 (C)(D)）。图 3 (E) 显示了机器人的腿和足的理想示意图，并使用它来建模跳跃动力学。图 3 (F) 建立了一系列驱动频率下机器人跳跃高度的等效比函数模型。

        下面为机器人多步态功能的表征图。机器人可以通过修改燃料比和火花频率来切换运动方式。