文丨栋栋不爱动
编辑丨栋栋不爱动
在阅读此文前，诚邀您点击一下“关注”，既方便您进行讨论与分享，又给您带来不一样的参与感，感谢您的支持
前言自然生物，如猎豹、兔子或蟑螂，利用高速运动作为其主要的生存策略之一，以寻找食物或逃离捕食者。每秒以身体长度表示的相对速度量化了不同生物体在大范围身体尺寸上的速度，对于螨来说可以高达323BLs 。
该技术主要通过大型机器和大功率发动机实现高速运动，从而产生一级方程式赛车或四足机器人运行速度为9.1BLs。由于传统高性能电机和传动系统的小型化困难，高速小型机器人的设计具有挑战性。
由智能材料制成的简单结构为构建微型机器人提供了替代可能性。锆钛酸铅和形状记忆合金是两种用于毫米级机器人的代表性刚性智能材料，但其驱动行程太小或频率太低，无法实现高速运动。
新兴的机器人技术和人机交互还需要能够在恶劣、动态环境中运行的柔软、安全、快速和稳健的设计。一个极端的例子是人的胃，在消化过程中受到机械压缩并含有酸性液体。
超小型电磁机器人的出现为了解决这些问题，出现了用于机器人的软智能材料，热响应聚合物纤维 pH响应聚合物凝胶、光响应液晶聚合物和电磁场响应材料。热响应聚合物纤维和pH响应聚合物凝胶依赖于离子或热量的缓慢扩散，对于机器人的高速运动来说不够快。
光响应液晶聚合物可以在超过10Hz的频率下启动，但对调制照明和透明环境的需求限制了它们的应用可能性。电磁场响应弹性体，介电弹性体(DE)和软磁弹性体，通常具有快速响应时间，振动范围为。
DE的缺点是驱动电压较高，会带来潜在的安全问题并阻碍小型化。SME机器人安全、响应速度快、易于小型化，但在多模块或群机器人设计方面存在困难，因为它们需要全局、动态可调的磁场。
包括嵌入弹性体基板中的液态金属线圈的软电磁致动器具有更好的局部可控性并且在强静磁场中具有高性能，存在于磁共振成像机器中。LM3D打印的进步使SEMA小型化至至少毫米级，为微米至厘米大小的软机器人的高速运动开辟了道路。
在这里，开发了一系列超快、坚固且多功能的小型软电磁机器人，能够行走、跑步、跳跃、游泳、转向，甚至运输和释放货物。这是通过制造、机器人设计和建模方面的进步实现的，这些进步共同提高了机器人的性能，甚至在配备小型自供电控制器时允许不受束缚的操作。
利用在弹性体基板上印刷LM线圈，可以同时选择性地控制机器人身体的不同部分，从而实现转向和运输货物。应变失配的弹性体双层使得弯曲的机器人身体能够在静磁场中经受时变电流和适当的脚设计时行走。
介绍两种类型的SEMR脚：用于非对称3D打印基材的锯齿形脚和用于平面基材的L形脚。两者带有SEMRTS和SEMRTL。正如实验所证明的那样，SEMR的运动在机械共振频率附近变得超快，并得到了分析和数值模型的支持。
展示了SEMR以70BLs的超快相对速度运行，比以前的软体机器人快约17.5倍，比厘米级电磁机器人和大多数动物都快。相同的SEMR还能够以4.8BLs的高相对速度游泳，这与其他水生机器人和动物相比是有利的。
弯曲SEMR体的设计和制造SEMR设计基于二维SEMA的原理，但进行了必要的修改，赋予它们高速运动机制。平面SEMA 只能在LM线圈垂直于磁场方向的几何形状中产生较小的面内变形。在这种条件下，机器人很难变形，更不用说行走了。
考虑到许多动物和大多数软机器人利用其弯曲身体的膨胀收缩来快速运动，假设弯曲的弹性体双层膜具有嵌入式LM通道将实现高速软电磁执行器。双层膜中的失配应变至关重要。典型的策略包括使用pH响应、热响应或湿度响应材料。
鉴于SEMA固有的焦耳热及其典型的工作环境是周围空气，得出的结论是，这些材料类别可能不是实现SEMA曲率的最佳选择。对双层膜的其中一层应用机械预拉伸以引起应变失配。该方法适用于可拉伸电子器件，并且可以缩小到微米级。
在实践中，通过将预拉伸层粘合到未变形层来制造双层膜，这样当双层膜释放时，它就会卷曲。为了指导制造并找出双层膜所需的厚度和预拉伸，开发了数值有限元法方案和理论模型，
理论模型与小预拉伸的数值模拟一致。还进行了实验来比较三种类型的预拉伸，并发现与数值模拟吻合良好。等双轴拉伸也在第二方向上引入了曲率，这对于这些类型的SEMR来说是不希望有的效果，因为它降低了行走方向上的有效洛伦兹力并使运动、控制和制造复杂化。
从这些预拉伸类型中，单轴类型被证明是最实用的，尽管其他两种在相同的预拉伸下产生更大的曲率。在理论和模拟的帮助下，使用单轴拉伸来制造弯曲SEMR。3D打印框架用于控制矩形薄膜的预拉伸，而小长方体在3D打印过程中充当拉伸薄膜下方的平坦支撑基板。
SEMR运动和动态性能的物理图像在基于机械振动的理论模型中描述，进行了一系列实验来验证该模型并进一步表征 SEMR的几何形状和机械性能。不考虑重力，因为它对振动的影响很小。
通过对悬挂在磁体上方的SEMR施加方波或正弦电流，由此产生的动态变形的频率响应，这与理论预测非常吻合。方波电流的最大偏转发生在37Hz的谐振频率处。该频率由等式给出。较大的电流对应于较大的变形，直到SEMR的主体在最大摆动时几乎平坦地伸展。
与同幅值的正弦电流相比，方波电流可以产生更大的变形；洛伦兹力更快达到最大值；提供了明显更高的加速度，这两个因素都将机器人从结构化基板上的凹槽中拉出并克服静摩擦，从而启动运动。
振动SEMR表现出类似于奔跑的猎豹的动力学，这激发了超快奔跑机器人的开发。在理想条件下，该理论预测极高的运行速度由于脚在基底上的滑动、直线运动的偏差、悬停状态下与地面的反相斥力以及其他有害影响，测量的速度较小。
爪子对于猎豹的高速奔跑起着重要的作用，同样适当的脚设计对于SEMR的高运行速度至关重要。当受到振荡电流时，线圈和SEMR主体的对称性仅引起其质心周围的振动，而不会产生水平位移。
大多数软机器人使用钩子薄膜或塑料弹性体复合材料作为脚以避免打滑，打破摩擦力的对称性，并允许平移运动。为的小型SEMR制造坚固的钩子具有挑战性，单向运动需要一定的不对称性，这可以通过两种方式实现。
在第一种方法中，机器人脚由薄的锯齿形聚合物薄膜制成；这种机器人在不对称结构的基底上运行，提供单向摩擦。在第二种设计中，不对称性完全是由于机器人本身的L形脚造成的。此类SEMR可以在各种平面非结构化基底上运行。
这样的脚仍然在平面基底上滑动，这个问题可以通过替代材料或设计来克服。粗糙或波纹基材上的滑移减少，使用锯齿形基材进行模拟机器人在受控条件下的性能。
就像猎豹不可伸缩的爪子一样，机器人脚和此类基板之间的机械联锁会产生高度不对称的摩擦，从而实现超快运动。振荡电流使机器人周期性地收缩和扩张其身体。当机器人展开时，前脚向前移动，而后脚由于机械联锁而固定。然后机器人收缩，前脚固定，而后脚向前拉。
为了实现更快的运动，最佳的驱动电流至关重要。使用低频方波电流时，机器人在电流方向改变后仅移动数十毫秒，并且即使电流非零时也保持其形状。机器人的速度随着驱动电流频率的升高而增加也就不足为奇了。
尽管使用锯齿形脚实现了创纪录的高运行速度，但对基材特性的依赖性限制了SEMR的适用性。为了克服这个问题，开发了更通用的L形脚设计，相对较大的L形脚连接在后腿的内侧和前腿的外侧。
这种内置的不对称性交替地改变双脚之间的重量，使得正常反作用力和静摩擦力分布不均，类似于人类步行和跑步循环。经过短暂的加速阶段后，速度稳定在165mms的恒定值，相当于18.3BLs。
底部序列电流较高，更接近机械共振；这导致运动速度更快，但运动控制较少。图3j中不同电流的频率依赖性 展示了谐振行为。由于机器人尺寸和重量的差异，两种设计之间的共振频率不同。
SEMRTL在具有不同摩擦学特性的各种基材上实现的最大速度。SEMRTL的位移与时间曲线显示在大多数基材上都有稳定的运动，尤其是玻璃和金属等光滑基材。
无线机器人的控制器和电源小型和中型PCB驱动不受束缚的机器人由一个555变体定时器集成电路和一个沟道金属氧化物半导体场效应晶体管组成。定时器IC通过外部电阻器和电容器配置为非稳态多谐振荡器。
这会导致在输出处生成方波信号，其中电阻电容时间常数决定频率。输出引脚连接到MOSFET的栅极，机器人的触点连接到漏极。电源由锂聚合物电池提供，该电池经过专门设计，不含铁磁材料。当定时器输出高电平信号时，MOSFET导通，电流流过机器人。
大型PCB解决了较小版本的一些缺点，缺乏电压调节和对正输出电压的限制。这是通过添加具有集成H桥的电机驱动器IC来实现的。定时器芯片的方波输出信号被馈送到驱动器IC的两个输入引脚之一。
另一个输入引脚通过反相器连接到相同的信号。输入引脚始终具有相反的逻辑值。这使得驱动器IC在输入信号的每个半周期后改变“方向”。负载通过H桥电路交替连接到电池电压和反向电池电压。
电压调节是通过切换到PWM调制在负载侧实现的，以保持输入电压高于设定值。这确保了驱动频率保持稳定，同时降低了输出功率，它还具有防止电池过度放电的作用。
除了高速移动之外，许多动物还发展了多种生存策略，包括抵御冲击或跌落的能力、躲避障碍物的能力、随意跨越陆地水生边界以及运输猎物和或后代的能力。其中一些功能启发了机器人技术，高耐用性提高了机器人在恶劣环境中的生存率。
进行了耐久性测试，其中的SEMR在行走过程中被高力压扁。机器人的性能在撞击前后保持一致。甚至用拉伸试验机压缩SEMRTL的主体，发现密封的LM可以承受高达139atm的压应力。当压力超过3.5atm时会发生断电，但当压力释放时，SEMR的电阻和身体会恢复。
仅有复原力还不够，还需要努力。对于大多数小型机器人来说，克服障碍仍然具有挑战性。证明，通过施加脉冲电流信号，的SEMRTST可以跳过高度高达4mm的障碍物 。逐帧分析显示机器人收缩然后倾斜其身体。然后它像压缩弹簧一样膨胀，并跳过障碍物。
类似地，SEMRTL可以在金属表面上向上跳跃3毫米，以及跨越障碍物，或跳上舞台并继续奔跑。解除小型机器人的陆地环境限制，将水性工作条件纳入其中，可以操纵漂浮物体进行微制造。
线圈电流的独立控制允许机器人直线行走、顺时针或逆时针转动以160°s的角速度自由导航。双模块SEMR的进一步结构重新设计，包括重新配置第二个线圈的位置，产生了运输SEMRTRC。
通过单独启动两个模块，一个用于运行，另一个用于受控释放货物，可以实现物体的自动重新定位。
参考文献Rubin，S.、Young，MH-Y.、Wright，JC、Whitaker，DL和Ahn，AN出色的运行和转弯性能。J.Exp。生物。 219 ，676–685(2016)。
Kim，B.，Lee，MG，Lee，YP，Kim，Y.&Lee，G.使用形状记忆合金执行器的类蚯蚓微型机器人。传感执行器A：物理执行器 125、429-437（2006）。
海恩斯，CS等人。来自钓鱼线和缝纫线的人造肌肉。科学 343 ，868–872(2014)。
