Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

自然界早已精通了在不同世界之间穿梭的艺术。像水黾和旋风甲虫之类的昆虫，可以在池塘表面疾驰，然后爬上泥泞的岸边，而无需更换它们的腿部或运动方式。它们使用相同的肢体来推动水流和推动土壤，依靠环境的物理特性来完成繁重的体力活。对于试图制造出能实现同样功能的微型机器的工程师来说，这种生物技巧一直是一个棘手的难题。创造一个足够小到可以放进兜里的机器人——具体来说是长度小于五厘米的机器人——本身就已经足够困难了。要让这样一台机器在陆地和水面上都能快速且敏捷地移动，同时还要携带自己的电池和大脑，这似乎几乎是不可能的。挑战在于，陆地和水面对运动的要求截然不同；适用于在泥土上奔跑的机制往往无法用于游泳，反之亦然。通常，解决这个问题需要复杂的机器，配备多套运动部件，而这些部件对于尺寸仅如昆虫般大小的框架来说太重、太臃型的。

一组研究人员现在开发出了一个打破这种权衡的解决方案。他们创造了一个不受束缚的、昆虫规模的兼 amphibious（水陆两栖）机器人，其长度仅为2.1厘米，重量仅为1.69克。这台微型机器可以在地面上飞速穿梭，也可以在水面上滑行，速度惊人，同时还自带动力源和无线控制系统。它成功的秘诀在于一种在两种环境中都适用的巧妙单一运动模式。该机器人并没有使用不同的腿来进行游泳和奔跑，而是使用一组驱动器来驱动一对既能作为跑步腿又能作为游泳桨的肢体。通过以特定的非对称节奏使这些肢体振动，机器人可以在陆地和水中产生前进的动力，而无需改变其硬件或步态。

机器人的设计借鉴了旋风甲虫游泳的方式。这些甲虫在向后蹬水抓取水流时，腿部会向两侧张开得很宽；而在向前摆动时，则会紧紧折叠起来以减少阻力。研究人员通过在机器人的前腿上安装一个游泳桨模仿了这一行为。这个桨通过一个特殊的铰链连接，使得它可以在一个方向上自由摆动，而在另一个方向上则锁定不动。当机器人振动时，桨在动力冲程阶段会大幅摆动以推动水流，从而产生强大的前进推力。在回程冲程中，桨会折叠起来，以最小的阻力划过水面。这产生了一个净推力，驱动机器人前进。在陆地上，同样的振动模式表现得不同。机器人的身体略微倾斜，因此当腿向后摆动时，它会用力撞击地面以推动机器人前进；当腿向前摆动时，它会轻微抬起，从而避免摩擦。这种简单的单向运动使得机器人能够使用完全相同的机械设置进行奔跑和游泳。

为了证明这一概念在现实世界中可行，团队制造了一个原型机并在受控环境中进行了测试。他们为机器人配备了一个小型锂电池和一个无线控制电路，使其成为完全自给自足的个体。在塑料表面测试中，机器人的最高速度达到了每秒32.5厘米，大约是其自身体长的15.5倍。在水中，它的速度达到了每秒11.3厘米，即每秒5.4个体长。这些速度显著高于以往任何同类尺寸的非束缚式机器人。该机器人还展示了令人印象深刻的灵活性，在地面上的转弯速率为每秒760度，在水上的转弯速率为每秒450度。它能够绕过漂浮的障碍物，拨开轻微的碎屑，甚至能爬上缓坡，实现从水面到陆地的转换。

研究人员并不仅仅依赖于试错法；他们利用计算机模型来精确理解机器人的运动方式。他们发现，机器人的速度很大程度上取决于其振动的频率。当振动频率与机器人的结构固有频率相匹配时，运动效率最高，能产生最大的可能速度。他们还发现，游泳桨的大小和铰链的刚度是关键因素。如果桨太大或铰链太硬，机器人就无法移动得更快。通过微调这些细节，他们优化了设计，确保其性能达到巅峰。这项研究证实，只要使用尊重空气和水物理特性的运动策略，创造出既极其微小又极其快速的机器是完全可能的。

这一成就标志着微型机器人领域迈出了重要的一步。直到现在，大多数能在陆地和水上移动的微型机器人要么速度太慢，要么体积太大，或者需要电线来供电。这种新型机器人表明，单一、简单的机制可以处理两个不同世界的复杂需求。它为未来开发能够探索灾区、搜寻淹没区域的幸存者或在不干扰的情况下监测脆弱生态系统的机器打开了大门。研究人员指出，虽然目前的机器人可以在光滑表面上表现良好，但未来的版本需要适应更粗糙的地形，如沙地或草地。他们还计划添加视觉传感器，以便机器人能够在没有人类控制的情况下自主导航。不过目前，这台2.1厘米长的机器人能够高速奔跑和游泳的演示，已清晰地证明了自然的技巧可以成功转化为工程技术，创造出像启发它们的昆虫一样敏捷的机器。