融合摺紙和軟體技術，土耳其模組化設計的微型昆蟲機器人讓人眼睛一亮！

別看微型機器人尺寸小，它的用處可不少！借助於身材的優勢，微型機器人可以穿過狹小的空間，它們非常適合一些特殊的場景，例如地質災害過後的斷壁殘垣中搜尋倖存者，或者是潛入一些複雜的機械設備和管道設備中檢測，甚至是遊走在我們人類的器官和血管中，檢查並且排除病灶。微型機器人近年來也成為機器人學家和工程師們的重要研究方向。近日，來自土耳其的畢爾肯大學的研究團隊研發一款可以模組化組裝的微型機器人，稱為SMoLBot。 SMoLBot機器人基於傳統機器人的驅動技術，結合最近興起的摺紙和軟體機器人技術，結構精巧，採用了模組化的設計，大大提升了微型機器人的性能和表現，為微型機器人的發展提供了新思路。這項研究於7月發表在國際機器人期刊《IEEE機器人與自動化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letter）。

1. 摺紙+軟體+模組化設計的SMoLBot

在一個題為「我為什麼要製造米粒大小的機器人」的TED演講中，講者Sarah Bergbreiter教授用這麼幾句話闡述了研究微型機器人的意義：「想像一下地震等自然災害過後，斷壁殘垣，這些小機器人穿梭在廢墟中，尋找生還者的畫面。 或者想像一下，一當微型機器人能在你的血液中游動，為你檢查，排除病灶，也許醫生不再需要開刀就能利用機器人替你手術…」。

總的來說，和大家常見的常規尺寸機器人相比（例如機械狗，人形機器人等），微型機器人製造成本低廉，結構簡單，運動靈巧。它們非常適合例如檢測，搜救等對於小尺寸有著需求的應用場景。高度的可操控性，穩健的運動以及表面適應能力讓微型機器人可以通過極其狹小的空間，或者是在複雜的環境中進行一些探索。下圖是一些常見的微型機器人，分別是（從左上往右下依序列出）：來自MIT的Self-folding robot， 來自EPFL的Alice mobile robot，來自Harvard的HAMR，以及來自UC Berkeley的DASH。

小編最近看到一篇關於微型機器人的研究論文，介紹了一款融合了摺紙技術（Origami），軟體機器人技術（soft robotics）以及模組化設計的SMoLBot微型機器人。 SMoLBot是由土耳其的畢爾肯大學的研究團隊開發研製的，於今年的7月發表於國際機器人期刊《IEEE機器人與自動化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letter）。 SMoLBot機器人結構精巧迷你，外觀簡單，它動起來彷彿一隻機械昆蟲。模組化設計的SMoLBot身體由多個具有相同或相似功能的模組組成，根據不同的應用場景，可以選擇2個模組或是3個模組，模組和模組之間由柔性或剛性的「仿生脊椎」（ PDMS材料）來連接。

SMoLBot的這種模組化設計讓微型機器人的加工方式變得簡單快速且價格低廉，另外，當某一個模組發生故障時，更換修理機器人也變得極為方便。每一個小模組包含一個“身體部分”和兩條獨立控制的“機械腿”，在身體內部囊括了小型控制板（Atmega-328P），兩個直流電機（微型行星齒輪減速電機），一塊微型電池（3.7V, 150mAh Li-Po電池），以及兩個機械鎖扣結構。每一個模組的框架結構由「摺紙設計」切割組合而成。

我們先來欣賞SMoLBot靈巧的運動展示，在第二部分會為大家介紹它的結構設計，以及論文中提及的一些對於它行走能力的簡單測試。文末附有論文連結和完整版視頻，不要錯過！

2. SMoLbot結構設計以及測試

SMoLBot的身體模組是用厚度為100微米的「醋酸纖維素紙（cellulose acetate sheets）」切割而成，這是一種在微型折疊機器人中很常用的材料。為了增加結構的強度，研究者利用了T折疊結構和鎖扣固定結構作為建構身體模組的主要結構。當身體模組按照設計好的折疊之後，內部留好了相應的空間，可以依次地擺入電池，脊柱連接件，電機，以及控制板等零件，將空間利用率最大化。

研究者設計了一種「易拆易安裝」的連接結構嵌入到身體模組中。脊柱的模具是3d列印的，透過改變模具的形狀設計，可以得到不同形狀截面的脊柱，利用不同材料進行鑄造可以得到不同剛度的脊柱。在這裡，研究者選用了PDMS材料，利用不同的材料配比得到了不同硬度的脊椎模型。

SMoLBot的機械腿採用了一個非常經典的「四連桿」機械結構設計。每一根桿的長度和位置都得到了最佳化，B點作為馬達的放置位置，E點是足端軌跡輸出點。當馬達持續旋轉時，足端可以輸出一個橢圓形的連續軌跡，這種軌跡能夠最大化的接觸地面，同時又會有週期性的抬起，從而滿足了微型機器人的腿部運動要求。對於雙模組四足SMoLBot，研究者採用了對角小跑的步態設計，即對角的腿有著相同的運動相位，另外兩側的腿有著180°的相位差。對於三模組SMoLBot來說，第三個模組和第一個模組有著相同的相位。

研究者進行了一項關於脊椎的剛度對於SMoLBot步態穩定性的影響的實驗。測試中，雙模組SMoLBot採用對角小跑步態，步態頻率為2Hz。測試分別在光滑和粗糙的表面進行。

在光滑的地面行走時，測量記錄了機器人的俯仰角（pitch angle）。可以看到柔性脊椎的俯仰角波動比剛性脊椎的俯仰角波動小2度左右，因此，柔性脊椎的運動步態相對於剛性脊椎的而言要更加的穩定。

在粗糙的地面行走時，柔性脊椎的優勢會更加明顯。研究者測量記錄了機器人的側傾角（pitch angle）。可以看到柔性脊椎的側傾角波動比剛性脊椎的側傾角整體小近4度左右。研究者指出，柔性的脊椎可以讓機器人更好的適應地形，從而減少運動過程中的前後段身體模組的差異，因此能夠獲得更平穩的運動模式。

當SMoLBot的控制頻率提升時，機器人的速度也會相應的提升，研究者透過輸入不同的控制頻率測試了SMoLBot的運動速度，同時也比較了剛性和柔性脊椎對於運動速度的影響。實驗結果如下圖所示。

3. 未來展望

不同的微型機器人可以在原子級層級上工作，也可以用於精密製造業的加工和檢測，同時它們也可以攜帶攝影機和微型光纖，進人人類無法到達的地方去察環境，儲存或傳輸影像。

今天介紹的這款SMoLBot微型機器人結構簡單，外型精巧，材料也都是比較容易購得的，有興趣的小伙伴們可以嘗試自己動手製作一個類似的微型機器人，操作它在家中或者戶外進行一些探索！

總的來說，SMoLBot充分利用了摺紙機器人和軟體機器人的優點和特性。透過模組化的設計身體和脊柱，讓微型機器人獲得了更柔順的步態和更好的可控性。

研究者指出，在未來會針對脊椎的形狀進行進一步的研究和最佳化，同時，研究者會嘗試增加模組的數量，從而獲得最優化的一個步態模型