“电子蟑螂”机器人实物图，大小与一枚硬币相当。 受访者供图

■本报记者 杨晨 通讯员 罗莎

近日，电子科技大学机械与电气工程学院研究团队开发了一款具备高机动性与强稳健性的“电子蟑螂”新型软体微型机器人。相关研究成果发表于《自然-通讯》。

这款机器人取名“蟑螂”，因其重约1克、长约2厘米，可容身并活动于狭小空间。而且，它跑得快，行走直线速度可达9.6厘米/秒，一秒内可实现原地转弯280度。它还特别机动灵活，就算从高处跌落被迫“翻个身”，也能继续爬行。更有趣的是，这款机器人有着“小强”般的生命力，就算受到120斤的外力，依旧毫发无损。

未来的某天，这只“小强”也许就会现身灾害救援、管道巡检的现场，在人去不了或肉眼难以观察的角落，开展辅助巡视、侦察等工作。

柔性结构和材料“护身”

从外形上看，“电子蟑螂”机器人更像一张四方桌——“桌面”是由柔性压电材料制成的驱动器，相当于“蟑螂”的“人工肌肉”，调控着它的行动轨迹。

与“人工肌肉”平行的下方框架上，分布着电池、控制电路、传感器等部件，凭借直径只有头发丝四分之一的细线和“人工肌肉”相连。操作人员通过手机蓝牙发送信号至电路板，就能远程给机器人下达行动指令。

电子科技大学副教授吴一川向《中国科学报》记者视频演示了用直尺压或用脚踩“电子蟑螂”后，它都能保持良好的运行状态，无明显变形，而且用脚踩时，脚下的重量已达120斤。

“‘电子蟑螂’拥有‘小强’一样的生命力，能够承载相当于自身重量900倍的压力。”吴一川说。“踩不死”的原因在于其拥有良好的韧性和抗冲击性能。

“首先制作材料是柔性的，包括机器人的‘腿’，以及集成原件所选取的材料都是耐用且不易变形的。”吴一川解释，机器人结构也相当于一副柔性外骨骼，拥有较强的稳健性。受到外力时，机器人可以迅速折叠，保护重要部件不受损，又能在外力解除后迅速恢复。

不仅如此，作为一种昆虫仿生微型机器人，“电子蟑螂”还克服了普通昆虫的运动“短板”。

“我们常在户外看到，昆虫一旦翻倒，基本动弹不得，但它其实还活着，想要翻身得费好大的劲儿。”吴一川表示，“电子蟑螂”就没有这种烦恼，即使“四脚朝天”，其“人工肌肉”仍能精准控制运动轨迹，来去自如。

一片“人工肌肉”的作用

在演示视频中，“电子蟑螂”能够在平面上灵活完成前进、后退、转弯等一系列动作，支撑其复杂运动轨迹的是单独一片薄薄的“人工肌肉”。其背后的设计原理，正是这款机器人的核心技术难题。

这一设计灵感，来源于团队一次偶然的发现。当时他们正在做机器人运动实验，突然注意到重量较轻的机器人，会随着身上部件振动频率的不同，朝超出设计预想的方向爬行，例如突然前进、后退或转弯。

“是不是可以利用振动频率，来精确调控机器人的行动轨迹呢？”团队成员脑海中跳出了新的想法。

吴一川举例介绍，打火机的打火石，正是靠摩擦产生火花，原理是机械能转化成了电能，并引燃燃料。而团队的设计思路就是在驱动器上完成电能向机械能的转化，使得机器人基于不同的振动频率完成不同的动作。

所以他们先选择了合适的材料，做成一小片“人工肌肉”，对其施加不同电压频率，让其发生弯曲后带动四条腿“同频共振”。

但一开始都是团队的设想和推测。团队负责人、电子科技大学教授彭倍介绍，在反复验证过程中，团队利用每秒钟能拍摄4000张照片的高速摄像机，捕捉了搭载“人工肌肉”的机器人在不同频率振动下的运动情况，并发现四条腿的行动组合起来，就会使机器人实现前进、后退、转弯等不同的运动轨迹。

“多振动模态的现象在生活中也很常见。”吴一川解释道，例如两人各自牵住绳子两端轻轻甩动时，绳子可能呈现出一个平滑的弧形，这是最低阶模态。而当甩动速度加快、频率变化时，绳子就会产生多个波峰波谷，即出现更高阶的振动模态。这种从简单到复杂的振动形态变化，正是多模态的直观体现。

有了实验结果的支撑，团队便开始梳理现象背后的规律，并反推出计算公式，以更好地操控机器人腿部运动轨迹。

“小强”是个“两栖”机器人

从频率影响运动轨迹现象的发现到相关理论提出，再到实验验证得出计算公式，团队共花费了两年多的时间。

这也促使“电子蟑螂”机器人完成了“质的飞跃”。早在2019年，还在读博的吴一川就研制出了第一代“电子蟑螂”，但当时机器人设计比较简单，只能在平面直线跑动，无法转弯，而且控制元件没有集成，必须外接电路和电池。

到了2021年，吴一川与师弟梁家铭一起研发的第二代“电子蟑螂”解决了集成和转弯问题，但运动速度较慢，且身上带了三个执行器，控制方式比较复杂。

“现在，它成长到了第三代。”彭倍指出，该“电子蟑螂”相比其他同类型微型机器人的最大优势就是，仅靠调节单个驱动器的频率，便实现了灵活控制腿部末端运动轨迹的形状、方向与倾斜角度。

对于大型机器人而言，通常依赖多个驱动器来控制其动作，就好比人类实现复杂的肢体运动，离不开多个关节的协调运作。

但设计制作微型机器人，对重量与尺寸的把控极为关键。“我们要以更轻的重量、更小的尺寸、更高的集成度来实现复杂的行动控制，因此要尽可能减少驱动器的数量。”彭倍表示，团队开发了首个在厘米尺度上实现系统集成、可无线操控并能承受强烈冲击的微型机器人平台。

此外，这只“电子蟑螂”是可同时适应水陆运动的“两栖”机器人。当它处于水中时，四条腿就变成了“船桨”，受水的阻力运动变缓，但基于不同的频率依旧能在水面进行可控滑行。

“电子蟑螂”凭借其独特性能，在灾害搜救、管道检测、密闭狭小空间作业等应用场景中展现出广阔的应用前景。然而，要想真正走向实用化，还需攻克若干关键技术难题。

“首要挑战在于解决电池续航的难题，”吴一川指出，“当前搭载的锂电池仅能维持约20分钟的运行时间，这极大地限制了其实际作业能力。”

自然界中，除了爬行，昆虫还具备跳跃甚至飞行的能力。吴一川期望“电子蟑螂”未来能集成更多的仿生运动模态，如跳跃或短距飞行，以提升其复杂环境适应性，扩大任务执行的范围。