仿生螞蟻(二):負重爬牆的微型機器人

 
2017/05/22 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組     485
 

2015 IEEE國際機器人與自動化大會(International Conference on Robotics and Automation,簡稱ICRA)上,美國史丹佛大學克高斯基(Mark Cutkosky)教授領導的研究團隊發表兩款目前最小的乾黏附垂直攀爬微型機器人,分別是9公克的迷你機器人和20毫克的微機器人,均模仿螞蟻體型及合作模式、壁虎足、和尺蠖步態,能單獨或成群合作到處活動,零件採用3D列印,可精確放大或縮小尺寸製造出更小或更大更強壯的機器人,製造成本壓低至每個低於20美元,其中9公克的迷你機器人只需約50公克(5%的機器人負載能力)太陽能電板就可承載1,100公克有效負重,因此可攜帶重要工具和通信設備執行任務;若電源換成不可再充電鋰電池,最高可垂直攀爬10公里,這種幾乎無須動力的停駐,有利於對長時間跟蹤監視與環境監測任務。

 

第一款迷你機器人重9公克,長、寬、高為3Í2.5Í2公分,可背著超過一公斤重物、以每步1.2公分距離和每秒0.3-1.8公分(0.6倍體長)的速度,攀爬上四公尺高的牆壁,相當於一個人背著大象爬上摩天大樓。底座為兩個3公克的玻璃纖維黏片,黏合一個伺服器(絞盤)、電路板及電池,以彈性線(Spectra,PE編織線)串連黏片及杜邦均聚甲醛(Delrin)製的負重和復位彈簧環接構成。

 

另一款微機器人重20毫克,長、寬、高為1.2Í0.9Í0.15公分,可攜帶500毫克(相當於一個小型紙夾大小的負重)、以每步0.8公釐距離的步幅攀爬,需在顯微鏡下用鑷子組裝,包括兩個黏片,螺旋彈簧形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,簡稱SMA)的致動器,以彈性線串連玻璃纖維(Kevlar fiberglass)製負重和復位彈簧環繞連接,沒有機載電源,而是由附近如雷射的電阻熱源激活,用一個雷射光源就能驅動一群微機器人。

 

研究團隊的仿生對象是具很大力氣及可負重行動的蟻科(Formicidae)黃猄蟻(Oecophylla smaragdina),足的最末節有一對爪,爪間有黏附足墊,是具有彈性且會分泌黏液的囊狀器官,可黏附接觸表面並隨意黏著或放開,既使搬運超過體重100倍的獵物,還能保持控制足墊的黏附力,但機器人卻難以達到同樣功能。因此他們改採仿生壁虎足,模擬壁虎足趾剛毛(setae)結構製造的人工壁虎足黏片有數十萬個高80μm的微形錐體(microwedge),材料為以雷射加工玻璃纖維板(fiberglass)在接觸面直接澆鑄聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)。

 

壁虎係利用足趾腹面數百萬根剛毛與接觸表面形成強力的乾黏附,就能攀爬在光滑的表面或穩穩倒掛在天花板上,只要彎曲足趾改變剛毛角度就能離開表面;仿生壁虎足就像真的壁虎行走方式,微形錐體也會因施加壓力而彎曲,增加吸附表面積而增加黏附力,抬起黏片時,微形錐體則伸直拉順、可輕易與接觸表面分離,只是微型機器人必須在黏片上進行小角度切割細縫、做出深刻花紋(siping),才能增加單向黏合力而快速脫離,但仍會因為木料、金屬、玻璃和磚塊等不同表面的摩擦力差異,影響其負重能力。

 

不若體積較大的機器人可以容納充裕的電源、或能容納執行特定任務所需的全部元件,稍有不慎就可能因攜帶攝影機這類小東西被壓垮的微型機器人,必須小心配置重量與能源,著重於重量跟黏片面積比例,才能在攀爬時耗能最小、負重能力最大、停留時耗能最低,增加執行任務時間;也需要仿傚螞蟻的分工合作方式,聯合群體以增加戰鬥力和效能,將感應器、鏡頭等處理能力及物體的力量分散至數個微型機器人。

 

微型機器人還另外模仿線性的尺蠖步態來爬升,可避免失足跌落,並達到停駐無功耗的目的。尺蠖是尺蛾科(Geometridae)幼蟲的通稱,科學家觀察到腎斑尺蛾(Ascotis selenaria)幼蟲的身體由許多體節組成,前進移動係靠肌肉縱向延伸、和「歐米茄」(ormega,Ω)形彎曲的交替運動,每次只有第一節和最後一節接觸地面或垂直表面,中間各節無需接觸表面、且在肌肉被激活時會產生歐米茄形狀、在肌肉延伸時停用。「歐米茄形運動」就是指尺蠖利用第一節和最後一節的原足(prolegs)抓握接觸表面,重複產生歐米茄形狀而向前的步態,每步約移動一個體長距離,包含爬行、轉彎、站立、攀爬四種動作,原足會像錨(anchor)一樣產生摩擦力並可保持穩定。研究團隊透過可控制的異向性黏附(anisotropic adhesion)方式,當微型機器人向前運動時,一個黏片往前移動、另一個黏片則在適當位置支撐體重和負載,重覆進行黏住、鬆開、伸長三個動作,在攀爬牆壁時就不會失去黏附力,即使踩錯腳步或打滑也不會失足跌落,可停在原地再試一次,達成無須電力就可停駐的目標。

 

仿生螞蟻的微型機器人具有體型小、不佔空間、成本低、生產時間短、機動性強等優點,可做為一次性的移動感應器使用,應用範圍極廣,可作為於搜索、救援、監視、和環境監測等之用,若配備適當工具、監聽麥克風、小型攝影機、感測器等,微型機器人未來可簡單執行例如天花板刷油漆、清除蜘蛛網、高處擦窗戶等居家服務,也能單獨或組隊鑽入廢墟中探查倒塌的大樓、運送繩梯或氧氣筒給被困在高樓火災的人、擔任消防員的助手探路引導、攜帶設備在水壩或橋樑等處修復裂縫,或像間諜藏身在不明顯的隙縫裡監察,經由通風系統或輸送管進入大樓進行環境勘測工作,包括嗅出有毒物質、繪製位置圖、搜尋受困的傷者、爬進管路探勘和維修;在農業方面能監控灌溉系統、直接咬死害蟲、執行除草施肥;甚或在考古領域,可協助窺探金字塔或古墓背後的秘密;若應用於航太方面,能協助檢查修復太空船遮熱罩、幫飛機機翼除冰、或進行外星探勘任務等。

 

(以上新聞編譯自2015年5月26日發行之2015 IEEE ICRA會議論文等)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Hawkes, E. W., D. L. Christensen, and M. R. Cutkosky. 2015. Vertical dry adhesive climbing with a 100x bodyweight payload. In 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2015, 3762-3769.
    • Koh, J.-S. and K.-J. Cho. Omegabot: Crawling robot inspired by Ascotis selenaria. in 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2010, 109-114.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Christensen, D. L., E. W. Hawkes, S. A. Suresh, K. Ladenheim, and M. R. Cutkosky. 2015. μTugs: Enabling microrobots to deliver macro forces with controllable adhesives. in 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2015, 4048-4055.
    • Im, H. S., J. U. Kim, S. Han, and T-I. Kim. 2016. Process, design and materials for unidirectionally tilted polymeric micro/nanohairs and their adhesion characteristics. Polymers, 8(9): 326-1-17.
    • Hawkes, E. W., E. V. Eason, D. L. Christensen, and M. R. Cutkosky. 2014. Human climbing with efficiently scaled gecko-inspired dry adhesives. Journal of the Royal Society Interface, 12(102): 20140675-1-10.
    • Labonte, D., C. J. Clemente, A. Dittrich, C.-Y. Kuo, A. J. Crosby, D. J. Irschick, and W. Federle. 2016. Extreme positive allometry of animal adhesive pads and the size limits of adhesion-based climbing. PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), 113(5): 1297-1302.
     
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