在复杂基底上进行的多模态和可控制的运动对于
昆虫尺度的机器人
在实际环境中的应用至关重要。为实现这一目标，打破机器人与接触基底间的摩擦对称性成为了推动其前进的关键策略。传统上，摩擦非对称性的实现严重依赖于机器人本体及其运动基底的非对称结构设计。
前不久，
香港中文大学的张立教授和赵晋生博士所在的研发团队取得了突破性进展，他们发现并提出了一种由磁转矩诱导的摩擦非对称效应，
为磁性微型机器人的设计和研究开辟了全新的驱动和控制策略。此外，
受人类行走和奔跑的启发，该团队还创新设计了一款双足机器人。
这款机器人在移动、携带负载和承受负荷等方面展现了卓越的性能，显示出在人体内进行非侵入式诊断、药物递送、管道检测以及信息中继等多方面应用的巨大潜力。
近日，该研究成果的
相关论文以《基于磁转矩诱导的摩擦非对称效应设计的昆虫尺度的双足机器人》
（Insect-scale biped robots based on asymmetrical friction effect induced by magnetic torque，
为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上。
香港中文大学博士后赵晋生博士（现香港城市大学博士后）为论文的第一作者和共同通讯作者，香港中文大学张立教授为论文的共同通讯作者。同时，该研究也得到了香港研究资助局研究学者计划和香港裘槎基金等项目的资助。
▍不依赖非对称结构，实现任意形状可驱动
磁转矩诱导的摩擦非对称效应是赵晋生博士及其同事
在使用匀强磁场驱动非对称结构的磁性机器人在运动过程中偶然发现的一种特殊现象。
按照传统的设计思路，他们设计了类似钩子一样的“脚”，以实现机器人支撑脚的锚定。然而，在实验过程中，他们发现：
在外部磁场的驱动下，当磁性机器人的磁矩方向与外加磁场的方向既不平行也不垂直于水平面时，若外部磁场围绕垂直轴发生偏转，这将诱发机器人绕该垂直轴产生旋转的趋势，同时也会导致其绕水平轴出现翻转的趋势。这种动作会引起机器人与基底接触区域支撑力的重新分配，并破坏原有的摩擦力对称性，从而促使机器人产生定向运动。值得注意的是，随着外加匀强磁场俯仰角度的变化，机器人的运动方向实际上并不完全取决于其支撑脚的非对称结构，而是由磁场的配置和动态调整所主导。
以长方体结构的磁性机器人为研究对象，他们从理论上进行分析，
外加匀强磁场的驱动不仅对长方体机器人产生一个绕着垂直轴旋转的磁转矩，还产生一个绕着水平轴翻转
的磁转矩。这导致长方体机器人支撑边上的支撑力重新分配：一端增大，另一端减小。而当机器人能克服摩擦阻力开始旋转时，一端的摩擦力大于另一端的摩擦力，实现了不依赖于非对称结构的摩擦非对称效应。
磁转矩诱导的摩擦非对称效应的理论分析：A 匀强磁场驱动磁性机器人的两种运动方式；B 支撑边上的应力分布；C 在锥形面上振荡的外加匀强磁场；D 步态运动的长方体机器人
以此，长方体机器
人绕着过靠
近一端的支撑点的垂直轴进行旋转，机器人的质心向前移动。
将外加匀强磁场以在
锥形面上振荡的形式驱动机器人时，就可以实现机器人以步态的形式向前运动。
磁转矩诱导的摩擦非对称效应的发现打破了在传统思想中对机器人具有非对称性结构的设计要求，实现了任意形状磁性机器人在匀强磁场驱动下的运动，为磁性机器人的设计和研究提供了全新的驱动和控制策略。
▍设计双足机器人，实现超凡运动性能
在中国古代，“步规”的算法可以准确的测量田地的距离和面积。受此启发，
研究团队为长方体机器人设计了双足结构，以实现机器人准确的运动预测和控制，
并在静态和动态的情况下，分析和预测了双足机器人的受力分析和运动姿态。
双足机器人的设计及其受力和姿态分析：A 人类在行走和跑步过程中的受力分析；B 双足机器人在启动时的受力分析；C 双足机器人的俯仰角；D 双足机器人俯仰角的预测和实验验证结果；E 俯仰角因子随磁场偏转的变化；F 双足机器人两只脚的支撑力随磁场偏转角度的变化情况；G 双足机器人在不同摩擦系数基底上启动时对应的磁场偏转角；H在外加磁场偏转一定角度后双足机器人的航向角；I 双足机器人的滞后角；J 双足机器人步态与人类走路步态的对比
得益于磁转矩诱导的摩擦非对称效应，双足机器人不仅
可以实现多种运动模态
（前进、后退、拐弯、原地旋转、跨越障碍、上台阶和爬坡等），
还可以在多种基底上进行运动。
双足机器人的运动模态和在不同基底上的运动：A 向前运动；B 向后运动；C 拐弯；D 绕一只脚原地旋转；E 跨越障碍；F 上下台阶；G 上下斜坡；H & I 在水中行走；J & K 在U型管中行走；L 在砂石表面行走；M 在新鲜小肠表面行走
在高频磁场的振荡驱动下，双足机器人表现出超快的运动速度。
当振荡磁场的频率为19Hz时，双足机器人的运动速度可以达到25.33BL/s。在任意非光滑的表面上，双足机器人的运动速度不会随着基底摩擦系数的变化而表面出明显的变化，当振荡磁场的频率为10Hz时，双足机器人的速度可以达到15BL/s。
有趣的是，
当外加磁场的偏转角的角速度大于临界值时
，双足机器人
的滑动脚会离开地面，以
拟人类行走的步态运动方式进行运动，
这从理论和实验上都得到了验证。
研究团队对外加振荡磁场进行编程设计，实现了双足机器人快速地按照预先设计的路径进行运动。
双足机器人在绕着路径运动三圈之后，路径的偏差距离不足双足机器人的一个体长。这表明了双足机器人稳健的运动能力。
此外，双足机器人不仅在运动能力上表现出优异的性能，还
表现出超强的运载能力和抗压缩破坏能力。
体重为0.137g的双足机器人不仅能在运载0.586g货物的情况下进行正常运动，并且在外部载荷将双足机器人压扁之后还可以恢复原样继续运动。
▍关于应用与未来
当然，双足机器人也仍面临一些挑战。目前，虽然磁场驱动已被证实为有效的操控手段，但受限于操作空间，它对机器人的活动范围造成了一定的制约。未来的研究将着重探索和开发新的驱动技术来弥补这一不足。
同时，为了拓展其功能，研发团队正考虑为这些微型机器人增添专业工具或仪器，比如用于消化道无创检查的微型相机，以及用于胃和肠道内精准治疗的药物输送系统。这些创新的配备将大大扩展机器人的应用范围，提升其在医疗等领域的实际使用价值。
参考文章：
https://doi.org/10.1002/adma.202312655
