香港中文大学张立教授团队《AM》：基于由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

昆虫大小的机器人因其灵活的运动能力、强大的负载能力和超强的鲁棒性，在生物医学和工业等领域展现出巨大的潜力。大多数机器人，尤其是爬行的和行走的，都采用以下两种方法来打破摩擦的对称性，实现平移运动。一种是为机器人的运动设计一个非对称基底，使机器人能够爬行或行走。在光照、温度和电场的外部刺激下，机器人交替弯曲前后脚，产生单向摩擦力，从而向前运动。这些机器人对基底结构的依赖性很强，因而，对环境的适应性受到很大限制。更普遍的方法是设计机器人自身的结构以实现摩擦非对称，例如受生物启发设计的非对称的脚。这种设计允许一只脚固定在基底上，而另一只脚向前滑动。这种机制可使机器人通过交替摆动双脚，在平面上实现向前运动。从理论上讲，如果机器人的重量为G，滑动脚承受的摩擦阻力不小于μG/2，而锚定脚承受的摩擦推力则超过μG/2（μ表示脚与基底之间的摩擦系数）。因此，机器人向前移动的能力取决于这两种力之间的差距，而这又直接取决于锚定脚能否牢固地锚定在基底上。基底的光滑度对机器人运动的稳定性起着关键作用。更重要的是，无论是通过基底结构设计还是通过机器人结构设计来实现非对称摩擦效果，机器人运动都只能是单方向的。

近日，香港中文大学张立教授研究团队在日常的实验中发现了一种独特的磁机器人运动机制。具体地说，当外加匀强磁场的方向和机器人自身磁矩的方向都不平行于水平面且不垂直于水平面时，外加磁场的偏转将会导致机器人受到一个垂直于水平面内的磁转矩和一个平行于水平面内的磁转矩，如图1所示。前者驱使机器人有在水平面内旋转的趋势，后者对机器人有发生侧翻的趋势，这将导致机器人的两个支撑脚承受的支撑力重新分配，即滑动脚的支撑力减小，锚定脚的支撑力增大。对于质量均匀分布的机器人，锚定脚的支撑力可以增大到机器人自身的重量以上，而滑动脚的支撑力可以减小为零。进而导致两个支撑脚受到的摩擦力发生显著变化。在外加磁场按周期性振荡时，两只脚的作用效果也会周期性的发生变化，从而实现机器人以步态的形式进行运动。这个机制被作者们命名为由磁转矩诱导的摩擦非对称效应。该研究成果以“Insect-scale biped robots based on asymmetrical friction effect induced by magnetic torque”为题在线发表于顶级期刊《 Advanced Materials》上，第一作者兼共同通讯作者为赵晋生博士，张立教授为共同通讯作者。

图1 基于由磁转矩诱导的摩擦非对称效应实现步态运动的机制。（a）磁场偏转驱动长方形机器人的两种运动模式：原地打转和向前移动。（b）支撑边上的受力分析。（c）振荡磁场。（d）步态运动。

这种运动机制不再需要对机器人和基底进行特殊的结构设计，任意形状的机器人都可以在任意非光滑的表面进行运动如视频1所示。

视频1 任意形状的机器人在树脂基底上向前运动。

为了使机器人运动的距离更具有可预测性，研究团队受中国古代“圭田”算法启发，为机器人添加双足，这样机器人的运动距离可以准确的通过磁场的振幅、频率和双脚之间的距离进行预测，如图2和视频2所示。

图2 双足机器人的设计原理。（a）人运动时的受力分析。（b）双足机器人运动时的受力分析。

视频2 双足机器人的步态运动。

研究团队还系统性地分别从静态和动态两种情况下预测了机器人的姿态，从理论上详细地论证了由磁转矩诱导的摩擦非对称效应，实验和理论都预测当外加磁场的偏转角速度大于临界值时，双足机器人的滑动脚会离开地面，实现拟人走路姿态，如视频3所示。

视频3 双足机器人与人走路姿态对比。

双足机器人运载能力和承受外载荷能力上都表现出优异的性能，并且在高频（19Hz）振荡磁场的驱动下，运动速度最高可以达到25.33BL/s，在任意非光滑表面上的运动速度基本保持不变，例如当外加磁场的振荡频率为10Hz时，速度可以达到15BL/s，如视频4所示。

视频4 外加磁场为10Hz时，双足机器人在任意非光滑表面的运动。

双足机器人可以实现多种运动模式，包括前进、后退、原地绕着一只脚旋转、拐弯、翻越障碍、爬台阶、爬斜坡等，还可以在多种环境情况下运动，包括水底、U型管道内、砂石表面、新鲜猪小肠表面等，如图3所示。

图3 双足机器人多种运动模式和多种环境下的运动

此外，研究团队对驱动磁场进行编程，实现了双足机器人快速地按照编程路径进行运动，并且起始位置和终止位置的误差不超过双足机器人的一个体长，如视频5所示。

视频5 双足机器人按编程化设计的路径运动

总结与展望：本工作报道和定义了一种由磁转矩诱导的摩擦非对称效应，基于该效应设计的磁性机器人打破了对机器人和基底结构设计的要求，为磁驱动机器人的设计和制造提供了全新的思路。本工作设计的双足机器人表现出灵活的运动能力、强大的负载能力和超强的鲁棒性，有望应用于体内药物提送、管道勘测、信息中继等领域。

来源：高分子科学前沿

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