仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行

 
2017/02/24 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
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
仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行,也能自我翻正(繪製者:王美乃)。 美洲家蠊(Periplaneta americana)跑得很快,會壓縮躲藏、鑽縫爬牆、飛行跳躍,為家戶常見害蟲(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行,也能自我翻正(繪製者:王美乃)。
  • 美洲家蠊(Periplaneta americana)跑得很快,會壓縮躲藏、鑽縫爬牆、飛行跳躍,為家戶常見害蟲(圖片來源:歐陽盛芝)。
 
南韓首爾國立大學(Seoul National University)仿生機器人實驗室(Biorobotics Laboratory)趙(Kyu-Jin Cho)副教授領導的研究團隊與美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)仿生系統實驗室(Biomimetic Millisystems Laboratory)費林(Ronald S. Fearing)教授合作,於2016年5月在2016 IEEE國際機器人與自動化大會(International Conference on Robotics and Automation,簡稱ICRA)發表一款仿生美洲家蠊(Periplaneta americana),兼仿生直翅目(Orthoptera)昆蟲向上跳躍能力的機器蟑螂JumpRoACH,具有長方形機體和六足,重量僅59.4公克,最高爬行速度可達到每秒0.62公尺,還能彈跳達1.10到1.62公尺高度,跳躍距離為0.6公尺,當機體上方加裝可開合雙翅的橢圓形外殼,能在空中完成翻越等高難度動作,即使不小心翻肚也能靠打開雙翅翻正,繼續向前行走或向上跳躍。跳躍後未必能以六足朝下的正確姿態著陸,但可像真正的蟑螂打開翅膀,自行從側面或背面翻轉回來,因此若從高處掉落也不會受損。

美洲家蠊為蜚蠊目Blattaria或Blattodea)蜚蠊科(Blattidae)的昆蟲,分布很廣,是室內常見的居家害蟲和衛生害蟲,體型小、動作快、擅走能飛,也是跑最快的昆蟲之一,無論壓縮躲藏或鑽縫爬牆,幾乎無所不在;而蝗蟲、螽蟖、蚱蜢、蟋蟀等直翅目昆蟲遍佈全世界,通常具有發達的後腿,擅於跳躍比身體長數十倍的距離,用來覓食及躲避天敵。研究團隊觀察發現直翅目的昆蟲和半翅目(Hemiptera)的沫蟬,在行走時配合跳的動作,不僅可快速向前或向上一段距離,也能輕易跳躍障礙物,即使因跳躍導致軀體翻面,也能迅速翻正姿態。因此綜合模仿蟑螂和蝗蟲的優點,將跑步與跳躍等技能結合成為多模式運動方式,使微型機器人的運動更高效快速。

研究團隊開發出新型彈跳機制,具有增強的儲能能力和可調跳躍高度的主動觸發器,由可折疊與展開的捲動暨滑動關節接頭、類似人類膝關節的菱形四連桿機構組成,可控制JumpRoACH跳躍程度從微幅到3公尺彈射的垂直跳躍。他們將跳躍組件整合組裝在費林教授2009年發明的輕量級「動態自主爬行六足機器人」(Dynamic Automonous Sprawled Hexapod,簡稱DASH)機體中心長、寬、高為10×2×3.5公分深的空間內,改善以往大多數小型跳躍機器人使用彈簧與閂鎖(spring mechanism with a latch)機制,因依二進制(binary)由閂鎖控制彈簧捲起或彈開,無法控制跳躍高度及距離的問題。

DASH長、寬、高為10×5×10公分,重16.2公克(含1.8公克的3.7伏特50亳安鋰聚合物電池),以可縮放的智能複合材料製造(Smart Composite Manufacturing,簡稱SCM),並使用電子封裝一個微控制器、馬達驅動器、和藍芽通信模組製成無線操作控制,可模仿昆蟲的交替三角架式步態行走,經測試能以每秒爬行1.5公尺距離的速度持續運動40分鐘;若從28公尺高處摔落混凝土地面,即使衝擊速度達每秒約10.3公尺,仍未損壞且保持正常運作。

當JumpRoACH爬行或移動時,連桿被壓縮,八條乳膠橡膠帶以最大限度儲存能量,並根據跳躍的目標以直流馬達主動觸發齒輪、調整滑輪鋼絲捲線長度和儲存或釋放能量,使機器蟑螂能夠控制跳躍的離地速度及高度,直流馬達同時驅動因翻轉所加裝的雙翅背板外殼。機器蟑螂跳最高時,馬達完全纏繞滑輪線、以儲存更多能量;進行低跳時,馬達減少繞線長度、且僅壓縮部分跳躍組件,若被壓縮至小於3.5公分時,跳躍結構未接觸地面,JumpRoACH可正常爬行。爬行速度和離地速度是獨立控制,當爬行速度為每秒0.63公尺,且離地速度為每秒4.52公尺時,可跳躍1.1公尺,並能克服0.8公尺高的障礙物。但JumpRoACH尚無法精確掌握跳躍的距離及高度,偶爾會撞到桌角摔得解體、無法展現翻身技巧;而加裝的雙翅背板也可能因滑翔增長跳躍降落的移動距離,卻未達飛翔功能,因此將繼續研究改善。

未來仿生機器蟑螂JumpRoACH預期將可在地震或火災發生時,克服障礙和崎嶇地形,擴大運動領域,降低運輸成本,鑽進災區瓦礫堆中進行環境偵測及搜救受困者,或直接跳到上層廢墟執行任務,延伸偵防和救難範圍並縮短所需時間,亦可運用於危險區域例如核災現場探勘測繪,甚至可被大規模應用到體型較大的機器人系統或設備,執行太空外星探索等任務。
(以上新聞編譯自2016年5月發行之2016 IEEE ICRA會議論文)

(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

 
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  • 來源:Jung, G.-P., C. S. Casarez, S.-P. Jung, R. S. Fearing, and K.-J. Cho. 2016. An integrated jumping-crawling robot using height-adjustable jumping module. 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2016, 4680-4685.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Ackerman, E. 2016. Cockroach robot flips itself with insect-inspired wings. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, November 17, 2016.
    • Birkmeyer, P., K. Peterson, and R. S. Fearing. 2009. DASH: a dynamic 16g hexapedal robot. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE 2009, 2683-2689.
    • Li, C., C. C. Kessens, A. Young, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2016. Cockroach-inspired winged robot reveals principles of ground-based dynamic self-righting. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), 2128-2134.
     
 
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