大家好！今天来了解一种微型机器人——《An agile multimodal microrobot with architected passively morphing wheels》发表于《SCIENCE ADVANCES》。这个微型机器人，具有独特的设计和卓越的性能。它带有被动变形轮子，这种轮子的设计灵感源自生物结构，具备独特的工作原理。它集成了多种优势，拥有多模态运动能力，在多个领域展现出巨大的应用潜力，接下来让我们一起深入探究。
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一、研究背景与创新点
（一）微型机器人的应用与挑战
微型机器人（长度<15cm，质量<20g）能够进行多模态运动，在检测、探索、救援和生物医学等多个领域都有着潜在的应用价值（可在多种地形上跳跃、爬行和行走的无缆多模态微型机器人）。
然而，要在单个微型机器人中同时实现优秀的机动性、低功耗和高鲁棒性是具有挑战性的。现有的方法包括配备可变形体（如光驱动软微型机器人）和组合不同驱动组件（如混合空中-水生微型机器人），但都存在一定的局限性。
（二）本文创新点
本文提出了一种新颖的设计，即基于犰狳装甲结构启发的被动变形轮的架构设计。这种轮子能够依靠生物启发的触手结构的不对称弯曲刚度，在不同的滚动方向上稳定在不同的几何构型。通过将这种被动变形轮与电磁电机和柔性体集成，开发出了一种高度紧凑、轻量的多模态微型机器人。
二、多模态微型机器人设计
（一）整体结构
该微型机器人由两个被动变形轮、两个电磁电机、一个支撑轮和一个柔性体（图案化柔性印刷电路板FPCB）组成，整体长度约为32mm，质量约为4.74g。
（二）被动变形轮设计
1.结构特点
被动变形轮配备了独特的触手结构，灵感来源于犰狳的装甲结构。这些触手结构由两种弹性模量不同的材料制成，T形块的弹性模量为1362MPa，柔性膜的弹性模量为0.536MPa，整个轮子通过数字多材料三维打印技术制造。
2.工作原理
在运动过程中，触手会呈现出三种典型状态：收缩状态、伸展状态和中间状态。当轮子顺时针滚动时，触手由于低弯曲刚度而附着在轮体上，此时T形块相互分离，对应触手收缩状态；当轮子逆时针滚动时，T形块相互接触，弯曲刚度大幅增加，对应触手伸展状态。这两种状态可以通过简单地控制轮子的旋转方向可逆地切换，中间状态则是在这两种状态转换过程中的过渡状态。
3.力学性能量化
为了量化轮子的力学性能，引入了触手的等效弯曲刚度（EI）。通过有限元分析（FEA）和实测数据表明，触手伸展状态的等效弯曲刚度是收缩状态（或中间状态）的17倍以上。
（三）基于生物启发的触手结构设计方法
1.理论模型
基于梁理论开发了一个理论模型，用于预测触手沿顺逆时针方向的弯曲变形。触手的初始形状可以由六个几何参数描述，包括触手宽度（t）、柔性膜厚度（h）等。
2.弯曲变形分析
定义了等效曲率来分析弯曲变形，通过研究不同触手设计的弯曲力矩（M）和等效曲率（k）的关系，发现M-k曲线近似双线性，这是由于T形块的接触导致了不同的等效弯曲刚度（EI）。
3.参数研究与设计建议
通过参数研究，分析了薄膜厚度（h）和触手宽度（t）等参数对M-k曲线的影响。
为了实现不同的运动步态，建议采用低EI₁以保证滚动步态的稳定和快速，同时采用高EI₂以确保在爬行/攀爬步态时能够成功越过障碍，并且需要有较高的刚度比EI₂/EI₁。通过选择合适的参数，可以在较大范围内调整刚度比。
4.关键曲率与几何构型确定
由理论模型得出了临界曲率kcritical，它决定了触手伸展状态的几何构型，并且受到四个几何参数（a,q,c,L）的影响。
5.逆设计方法
基于上述理论模型进行逆设计，通过选择合适的几何参数来实现触手伸展状态的期望构型。给出了三个目标曲线示例（椭圆弧、双圆形曲线和多项式曲线），实验结果与目标曲线的几何构型吻合良好，验证了逆设计方法的有效性。
三、微型机器人性能测试
（一）运动步态与性能
1.三种步态
由于独特的被动变形轮设计，微型机器人具有滚动、爬行、攀爬三种步态，分别由电磁电机的不同旋转方向实现。
2.性能比较
速度与能耗：在平坦表面（如牛皮纸）上，滚动步态的最大速度可达21.2BL/s，成本运输（COT）约为89；而爬行步态的最大速度仅为0.94BL/s，COT约为635。
稳定性：滚动步态运动时轮子中心点的垂直坐标波动较小，比爬行步态更稳定快速。
转向性能：引入相对向心加速度（ar）来量化转向灵活性。在滚动步态下，随着右电机脉冲频率的增加，可达206.9BL/s。
步态切换：从滚动到爬行步态的切换需要约1.99s，从爬行到滚动步态的切换约需1.62s。
（二）不同地形适应性
1.斜坡
基于滚动步态，微型机器人可以在0.44s内爬上30°的斜坡，通过结合附加的由PDMS制成的adhesive layer，甚至可以爬上60°的斜坡。
2.隧道
当遇到高度受限的隧道（如高度为18mm的隧道）时，滚动步态可以使轮子直径变小，从而使机器人能够通过，而爬行步态可能因高度限制无法通过。
3.不平坦地形
在有砾石的粗糙地面和沙地等不平坦地形上，爬行步态比滚动步态更稳定。例如在有砾石的粗糙地面（砾石特征尺寸为8-12mm）上，滚动步态容易卡住，而爬行步态可以稳定通过；在倾斜（15°和30°）的沙地上，爬行步态也比滚动步态更稳定快速。
4.楼梯
攀爬步态可以使机器人爬上楼梯，平均速度约为12.4mm/s（0.39BL/s）。对于更高的楼梯（如步高为15mm的楼梯），需要采用更大的变形轮。
（三）鲁棒性测试
微型机器人展现出了良好的鲁棒性。它能够承受约14.55kg的压缩载荷（约为自身重量的3070倍），在被这样的重物按压后，仍能基于滚动步态迅速恢复并继续移动（见图3J）。
此外，从604mm高处落下后（高度约为自身的40.3倍），机器人落地时速度为3120mm/s，仍能调整姿势继续前进。
