史上最小“变速箱”登Science Robotics，仅3毫米为微型机器人持续提供动力

马克斯·普朗克研究所和哈工大合作的最新研究成果，解决了微型机器人多年的难题。

1959年，著名物理学家理查德·费曼曾预言，人类未来可以“吞下外科医生”。

这里的外科医生指的是比头发丝还细小的微型机器人，可以把它们人注射到人体内，通过血管到达指定位置进行手术。

但万一“外科医生”在体内动力不足、无法控制了怎么办？可能就要转变成医闹了。

这确实是需要担心的一点，因为微型机器人实在太小，无法携带自己的“发电厂”，所以大多数微型机器人使用外部磁场进行操作。然而，随着机器人变得越来越小，它们的力量会因为质量太小而减弱。

马克斯·普朗克研究所和哈尔滨工业大学的研究人员现在找到了一种办法可以解决这个问题。他们设计了一种可以无线连接的微型驱动变速箱，最大尺寸为3毫米，重量只有13.2毫克，并将变速箱应用于多款微型机器人上，可以驱动进行爬行、跳跃、抓取物体等动作。

▍磁力驱动齿轮箱让机器人更自由

有效驱动微型机器人的关键在于两点：

1.让微型机器人始终动力十足；

2.实现无线化驱动。（毕竟不能带着根电线吞进肚子里）

结合以上两点，外部磁场并不是最佳方案，需要将磁铁放置在非常靠近机器人的位置才能达到相当高的磁场强度，这限制了其在机器⼈远离磁场源的场景中的应用；通过机械传动系统来放大磁扭矩和力输出是一种有效的替代方案，比如齿轮，可被用于磁力驱动方案中，但集成电源的困难使这些齿轮驱动的机器人无法实现无线化。

既然微型齿轮箱可行，那该如何实现无线化呢？

马克斯·普朗克研究所和哈工大的研究人员想了个办法——使用旋转永磁铁产生的磁场，或具有弹性元件的磁力致动器，就能实现无线驱动齿轮箱，重复产生大的驱动力、应变和速度。

齿轮变速箱使用参考直径可达270微米的微齿轮进行组装，并通过铸造由铝填充的环氧树脂制成。通过连接到输入轴上的磁盘，变速箱可以由不超过6.8毫特斯拉的旋转外部磁场驱动，在40赫兹时产生高达0.182毫力顿米的扭矩。

▍赋予机器人更多性能：爬行、跳跃、夹持、穿刺注射

接下来才是实战演习，给几种不同的微型机器人装上变速箱，看看它们表现如何。

蠕动机器人的每一段都设计为四面的Sarrus连杆机构，研究人员使用了一个双杆连杆来连接齿轮箱的输出轴和Sarrus连杆的一端，通过磁力驱动实现有节奏地收缩和扩张。

不仅可以在地面上爬行，还可以进入狭窄的管道：

受跳蚤启发，研究人员还开发了一个毫米级的跳跃机器人，通过齿轮驱动机器人腿部弹簧的一拉一松，类似弹簧的能量可以产生压力，然后立即释放。

这种跳跃机制允许机器人反复跳跃，触发后，25.2mg的机器人能够在0.75 ms内快速伸腿，起飞速度达到2.3 m/s，跳跃高度可达119 mm（38.4 身长），水平位移可达218mm（70.3身长）。

考虑到医疗应用，研究人员还开发了穿刺机器人和注射机器人，穿刺机器人可以用伸出针头穿透物体，再缩回针来获取样本。

注射机器人将液体吸收到腔室中，齿轮箱可以拉伸弹性储存器，注射液体时，将输出轴旋转到另一方向，排出弹性储存液的液体。

除此之外还有夹持机器人，通过将夹具集成到平行弹性折叠机构中，可以实现可重复的夹持和打开，如图，机器⼈快速捏紧凝胶后，被磁场拖拽，撕下⼀块凝胶。

▍未来将进一步优化

这项研究发表在《Science Robotics》中，由马克斯·普朗克研究所的一组研究人员与哈尔滨工业大学的两位同事合作开发，论文标题为“Magnetically actuated gearbox for the wireless control of millimeter-scale robots”。

在论文的末尾，研究人员表示，开发下一代磁驱动微型齿轮箱仍需克服，未来会进一步考虑以下方面：

首先，变速箱的最大输出扭矩和密度受到环氧树脂材料强度的限制，使用强度更高的材料制造齿轮将增加其负载能力。

其次，变速箱内部的齿轮系对外部空间是开放的，使得它容易受到周围环境中的⼩颗粒的影响，⼩颗粒会粘附在轮齿表面，降低齿轮啮合质量。需要一个防护罩将齿轮与周围环境，使齿轮箱在灰尘等⼩颗粒的存在下也能正常工作。

第三，齿轮箱的制造需要手动组装，这降低了制造效率。      

论文传送门：DOI: 10.1126/scirobotics.abo4401

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排版 | 麦子

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