电润湿现象助力水陆两栖微型机器人 ，顶级期刊《Nature Communications》发布

电润湿现象助力 水陆两栖微型机器人...





17年年底，大讲堂为大家介绍了一篇发表在顶级期刊《Science Robotics》上的文章，来自中国的哈佛留学生陈宇峰博士帮助哈佛大学之前研发出来的产品RoboBee克服水的表面张力，拥有了破水而出的本领。



时隔半年，陈宇峰博士最新发表的文章刊登在了顶级期刊《Nature Communications》上(文章链接：点击文末阅读原文)，再次帮助哈佛大学改造已有机器人HAMR，不仅让它拥有了水陆两栖的本领，还能在陆地、水面、水底三种环境中自由切换，简直神气的不得了。

水的表面张力对于微型机器人来说，是一个亦正亦邪的存在。科学家们可以利用它让微型机器人练就‘水上漂’的本领，但它有时也阻碍了微型机器人从水面进入水底或是从水底钻出的步伐。陈宇峰博士的最新研发就厉害在这里了，他一边利用水的表面张力让改造后的HAMR机器人浮在水面，一边又能在需要的时候打破这种张力，让微型机器人顺利沉入水底。那具体是怎样做到的，且听我们一一道来。三年前，南韩首尔大学和美国哈佛大学Wyss仿生工程研究院，在大名鼎鼎的《Science》上发表了一篇文章，他们深入透彻的研究了水黾的运动机理，开发出一款可以在水上跳跃的仿生机器人。利用水的表面张力这款重68毫克、体长2公分的微型机器人可以稳稳的停留在水面，并且能在水面完成跳跃的动作，最高垂直加速度可达14g。但是看看这款仿生机器人长达5公分的大长腿，它除了保持‘水上漂’的功能基本上已经丧失了在陆地上行走的本事了。



既能合理的利用水的表面张力，又不让微型机器人丧失在陆地上的行走能力，是陈宇峰博士改造HAMR机器人的初衷之一。于是他给微型机器人每个腿上都加装了一个EWP（electrowetting pad 电润湿垫），EWP直径约1厘米，由厚度为15微米的聚对二甲苯（疏水性绝缘涂层）覆盖的5微米厚的铜片制成。这种圆形的装置，让EWP不仅拥有表面张力，还带来了由表面张力所引起的浮力。这样HAMR机器人不仅能支撑起1.65克的自身重量，还能在水面上携带1.44克的额外有效载荷。

关于如何打破这种表面张力，陈宇峰博士采用了电润湿技术，通过给EWP施加电压来改变。

带有绝缘涂层的EWP与水面的接触角，通过减小EWP与水面的接触角来降低它的表面张力，以及通过自湿润（spontaneous wetting）降低浮力，从而帮助改造后的HAMR机器人下沉。

在不增加驱动器的情况下让HAMR具备在水面滑行的功能，陈宇峰博士还打造了另一个仿生设计——两个以HAMR的腿足为中央支撑的由聚酰亚胺材料制作的被动襟翼。他从龙虱身上获得灵感，让安装在微型机器人四条腿上的四队被动襟翼在水里产生不对称步态，从而产生向前或者向后的推力。具体做法就是，被动襟翼在向后运动时完全打开以产生推力，而在复位的过程中，襟翼收回以减小阻力。这种推进方式借助了水和被动襟翼的耦合现象，在没有主动发动装置的情况下实现了模仿龙虱的步态。

破水而出对微型机器人的挑战很大，因为水的表面张力超过了机器人自重的两倍。在出水的过程中，机器人不仅要克服两倍于自身重量的载荷，还要应对在爬坡过程中表面张力所带来的力矩。这个力矩会使分布在机器人前腿和后腿上的载荷变得不均匀，从而阻止机器人出水。针对这些问题，陈宇峰博士通过加强机器人的传动系统刚度，减小传动比来增加载荷。通过在机器人前脚增加PDMS脚垫来重新分配摩擦力。通过这些改变，HAMR可以用4Hz的低频步态缓缓地通过7度斜坡走出水面。值得一提的是，出水的过程所消耗的功率大约是在陆地行走的3倍，这也说明了出水的困难。



成功到达陆地上的HAMR，就是之前哈佛模仿蟑螂设计出来的微型机器人，在体型小巧重量极轻的情况下，能够以高达每秒8.4倍身长的移动速度飞快的向前奔驰。而且还具有负重、防震、躲避障碍等功能。而且这种行走功能也同样适用于在水底的时候。

这样一个水陆两栖，能在三种模式下自由变换的微型机器人，在各个环节分别模仿了蟑螂、水黾和龙虱，从而达到了大型机器人很难做到的功能和运动能力。让我们一起来欣赏一个改造后HAMR自由切换的视频。

陈宇峰博士表示，下一步他希望研究微型机器人在水中的潜泳步态和浮力控制。如何让微型机器人在水中长距离运动，克服水中的障碍，实现水下吸附等都是未来研究的课题。除了这个课题以外，陈博士还发表过关于微型飞行机器人，扑翼流体力学，仿生吸附（和北航文力老师合作）等方面的文章。发表过的期刊包括《Science Robotics》，《Journal of Fluid Mechanics》等。

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