点击甲虫启发的机器人使用弹性能量跳跃

点击甲虫的力学在机械、农业和搜救环境中提供帮助。

诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员在开发昆虫大小的跳跃机器人方面取得了重大飞跃，能够在机械、农业和搜救环境中常见的狭小空间内执行任务。

机械科学家和工程师Sameh Tawfick的一项新研究展示了一系列甲虫大小的机器人，这些机器人足够小，可以适应狭窄的空间，足够强大，可以越过障碍物，并且足够快，可以匹配昆虫的快速逃生时间。

研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。美国国家科学基金会通过向普林斯顿大学的作者之一艾米·维萨(Aimy Wissa)提供赠款，部分支持了这项研究。

在过去的十年中，诺伊州和普林斯顿大学的研究人员研究了点击甲虫的解剖学，力学和进化。2020 年的一项研究表明，甲虫如何利用肌肉弯曲身体，并通过称为胸铰链的解剖结构锁定储存的弹性能量。

例如，当甲虫需要逃离捕食者时，它会松开铰链，让它的身体迅速弯曲，并将其推向比体长高出许多倍的空中。

“小型机器人技术的最大挑战之一是找到一种小而强大的设计，可以在障碍物周围移动或快速逃离危险环境，”陶菲克说。

在这项新研究中，微小的盘绕致动器逐渐压缩光束，使其弯曲并缓慢存储弹性能。执行器之于机器人就像肌肉之于动物一样——它们是通过将能量转化为机械力来实现运动的组件。

触发快速的形状变化，称为卡扣屈曲，以突然释放存储的能量，导致光束撞击地面并急剧向上推动机器人。

“这个过程被称为动态屈曲级联，与点击甲虫的解剖结构相比很简单，”陶菲克说。“然而，在这种情况下，简单是好的，因为它允许我们以这种小规模工作和制造零件。

在生物进化和数学模型的指导下，该团队构建并测试了四种设备变体，降落在两种无需人工干预即可成功跳跃的配置上。

该团队设想这些机器人进入狭小的空间，通过拍照来识别问题，以帮助对大型机器(例如涡轮机和喷气发动机)进行维护。

“我们还想象昆虫规模的机器人在现代农业中很有用，”陶菲克说。

NSF工程理事会项目主任Jordan Berg说：“这些研究人员受到大自然的启发，创造了优雅和创新的工程解决方案。他们已经表明，相对缓慢的收缩致动器可以驱动小型机器人极其快速和强大的跳跃运动。

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