央视7分钟深度报道nature期刊发表 北航昆虫机器人BHMbot研究成果

北京航空航天大学能源与动力工程学院严小军教授团队发明了昆虫级机器人微动力系统，并在此基础上研制出具有高无系运动性能的北航微机器人BHMbot。该机器人身长2cm，宽1cm，在不负载电池时，其重量仅为200毫克。

该机器人最大的特点在于拥有极高的运动速度，最快移动速度达45cm/s，这一性能使得BHMbot能够与昆虫相媲美，实现了昆虫尺度的腿式微型机器人在非系留运动方面的重要突破。目前该研究成果已在5月8日《nature communications》期刊中成功发表。

▍昆虫机器人设计原理：

在自然界中，昆虫以其独特的体型和运动方式在生存竞争中脱颖而出。北航昆虫机器人（BHMbot）正是基于这种生物启发，旨在模仿昆虫的运动特性，尤其是高速奔跑和灵活转弯的能力。该机器人采用了一种创新的腿式微型机器人设计，通过独特的步态和结构设计，实现了超快的无系绳运行速度。

BHMbot 的结构设计和运动机制

从整体结构来看，BHMbot体现了高度集成和精密设计的特点。通过手动组装和折叠二维结构形成三维原型，支撑框架、传动机构和电磁致动器等关键组件精确配合，确保了机器人的稳定性和灵活性。电力和控制电子设备采用了商用元件，构建了一块微型电源和控制电路板，实现了无绳和受控运动。整个设计注重能效和运动性能，使得BHMbot在狭小空间和复杂环境中展现出出色的机动性。

在肢体的设计上，BHMbot的前腿被有意设计得比后腿长，形成了身体向上倾斜的角度，这一设计有助于产生斜向上的弹跳动量，模仿了奔跑哺乳动物的运动模式。此外，传动机构与前支腿融为一体，减少了装配误差，提升了整体性能。电力控制方面，锂电池为两个稳压器供电，确保了电磁致动器的稳定运行。

系留运动试验和参数优化

电磁致动器部分，作为BHMbot的动力源，由永磁体、空心线圈和悬臂组成。永磁体由高性能的钕铁硼（N52）材料制成，确保了强大的磁场输出。空心线圈由精细的铜线制成，其尺寸经过精心设计以匹配磁铁的尺寸，进而优化电磁致动器的性能。当向线圈施加交变电压时，磁铁和悬臂会在电磁力的作用下振动，产生周期性驱动力。这种设计允许电磁致动器在相对较低的工作电压下高效工作，这对于减少电源和控制电子设备的质量至关重要。

传动装置作为连接电磁致动器和BHMbot前腿的桥梁，采用了平面四杆连杆机构。这种机构能将电磁致动器产生的直线往复运动转化为前腿的摆动运动，进而驱动BHMbot的移动。通过精心设计的传动装置，确保了前腿摆动的精确性和可靠性，进而实现了BHMbot的高效运动。

电磁致动器和传动装置的结合，使得BHMbot能够在复杂环境中表现出色的运动性能。无论是在有浅水坑的塑料板上还是在内径较小的圆管中，BHMbot都能以较高的速度和灵活性运行。

在运动过程中，BHMbot展现了一系列连续的弹跳循环，每个循环包括初始阶段、下蹲阶段、弹跳阶段、空中阶段和着陆阶段。通过高速摄像分析发现，一个弹跳周期通常包含前腿的多个摆动周期，这使得BHMbot能够在空中保持一定姿态，增加了运动的灵活性和可控性。

BHMbot的奔跑步态不仅实现了高速直线运动，还通过独立控制两条前腿，展示了出色的转弯性能。通过调节两个驱动通道的频率和振幅，BHMbot能够轻松改变移动方向，实现圆形、矩形、字母形状等多种轨迹的运动。这种高度灵活的运动步态设计，使得BHMbot能够在狭小空间内自如穿梭，为搜索救援和复杂环境探测等任务提供了有力支持。

在移动速度方面，BHMbot机器人最快移动速度可达每秒45厘米，同时在负载5.5倍自身质量的重物后，仍能维持较高的移动速度，具有强大的动力和承载能力，这个性能指标在微型机器人身上并不常见。

在运动控制方面，北航团队通过独立控制两条前腿实现了多种复杂的运动轨迹。这一策略依赖于两个电磁致动器的独立驱动通道，这些通道可分别作用于机器人的左右前腿。通过调整两个驱动通道的频率和振幅，BHMbot能够执行直线运动、转弯以及沿特定轨迹移动。当两个驱动通道都有效时，BHMbot会向前奔跑。通过激活一个通道而禁用另一个通道，BHMbot能够以前方的一个点为支点进行转弯。调整两个通道之间的频率差可以进一步控制转弯半径，频率差越大，转弯半径越小。这一策略允许BHMbot以极高的灵活性在不同环境中导航。

除了基于频率和振幅的静态控制外，北航团队还开发了一种实时控制策略，即通过智能手机应用程序远程控制BHMbot。这一方法使得BHMbot能够在遇到障碍物时实时调整运动轨迹，进一步增强了其在复杂环境中的适应性。

BHMbot采用了一块锂电池（3.7伏，50毫安时）作为机载电源，并通过两个电磁致动器驱动其运动。为了优化能源管理，BHMbot的电磁致动器设计为在相对较低的工作电压（<2V）下工作，从而避免了在设计机载电源和控制电子设备时引入高压增压模块的需要。

BHMbot（6 号原型）的无系绳运动性能以及与自然生物和其他无系绳机器人的比较

在功耗控制方面，BHMbot通过调整电磁致动器的驱动频率和振幅来控制其运动速度，进而实现对功耗的有效管理。实验结果表明，随着驱动电流的增大，BHMbot的运行速度普遍增加，但功耗也随之上升。通过参数优化，研究团队确定了在不同工作电流和有效载荷质量下，BHMbot能够达到最大运行速度的最佳工作条件。经过团队反复调试，BHMbot机器人可以实现充电2分钟，持续爬行10分钟的任务。

▍应用领域的创新与突破：

由于BHMbot机器人具备小巧灵活的特性，能够深入到人类无法到达的位置进行探测，因此北航研究人员对也设想了多个BHMbot微型机器人的商业落地场景，覆盖特种搜救任务、发动机等特殊零部件检测以及高危环境的监查作业等。

在搜救任务中，BHMbot可以通过远程控制穿越布满障碍物的复杂区域，到达倒塌的房屋附近收集求救信号，并成功返回起点。这种能力使得BHMbot在地震或其他灾难发生后的搜救工作中具有巨大潜力，尤其是在难以到达的区域。

BHMbot的高机动性使得它能够在狭小的空间内执行任务，如涡轮风扇发动机的内部结构检测。BHMbot能够穿过发动机定子叶片之间的狭窄通道，在尾锥内表面快速移动，为航空发动机的维护和故障排查提供了一种全新的解决方案。

在环境监测领域，它可以轻松进入有毒气体或辐射区域进行数据采集和分析，确保人员的安全。在工业检测方面，“昆虫”机器人也能发挥巨大作用。其微小的体积使其能够轻松进入狭窄或复杂的机械设备内部进行检测和维护，大大提高了工作效率和安全性。

▍结语与未来：

北航昆虫机器人BHMbot是北航研究团队历时15年打造的微型机器人，源于其不断地技术积淀以及全新材料的研发，使得BHMbot机器人成功突破此前研发的技术瓶颈，具备超快无系绳运行速度与高负载特性，更通过其独特的步态设计和无线控制模块，实现了复杂轨迹的精确导航。北航研究团队表示，BHMbot微型机器人后续迭代版本正在紧密研发当中，后续版本将在核心指标上继续提升，并同时增加机器人的续航能力，更好的提升产品易用性。