打不死的小强，生存能力太强！
如果微型机器人能获得蟑螂的生存能力，哪怕是一部分，就可能在一些苛刻的环境下，执行特定任务。而这样的一群机器小强，能干什么事情就值得想象了。
华人科学家冀晓斌、刘昕畅，以及来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的软传感器实验室（LMTS）和综合执行器实验室（LAI）、法国塞尔吉 - 蓬图瓦兹大学的聚合物和界面物理嵌合实验室（LPPI）的几位科学家，共同设计出这样一款柔软的昆虫机器人，该机器人被苍蝇拍或者鞋子拍打之后，依然可以继续移动。
该团队把该软件机器人称为 DEAnsect，它有两个版本，一版需要通过电线连接电源，速度每秒 30 毫米。另一版是无线连接、能够准确的通过环境自主导航的，速度为每秒 12 毫米。
DEAnsect 长 40 毫米，裸重为 0.97 克，而一枚一角硬币的重量为 1.15 克。无线版可以携带 0.78 克的灵活电子组件，比如传感器、控制器和电池等。该机器人可以自动遵循 “8” 字形路径移动。
图 | A 为裸重机器人图；B 为该机器人可以自动导航 “8” 字路径并在末端停止；C 为组装之后的 DEAnsect 顶视图；D 为 DEAnsect 侧视图；E 为变形的 DEAnsect 侧视图，胶带将机器人的身体固定在弯曲的状态下。DEAnsect 在正常和变形的状态下均可移动（来源：论文）
无线版装备了板载微控制器和两个光电二极管，用来控制 “大脑和眼睛”，使“小强” 能辨识黑白图案，从而能根据地面上绘制的线条移动。如上图所示，“小强”可以自动遵循 “8” 字形路径移动，到达 “8” 字末端时，也就是当两个光电二极管都在白色表面时，机器人停止运行。
冀晓斌告诉 DeepTech，之后将做一个 DEAnsect 族群来模拟昆虫族群的集体智能表现，从而执行多功能化的任务，比如灾难救援，还有与自然界昆虫聚居来研究它们。他向 DeepTech 提供了一个 DEAnsect 小族群化身 “驯鹿” 拉着圣诞老人的视频彩蛋：
低电压驱动“人造肌肉”
DEAnsect 配备了介电弹性体致动器（DEAs），是一种细如毛发的人造肌肉，能够最终靠振动使其前行。DEAs 就是昆虫机器人能够轻便快速移动的根本原因，当然，它也允许机器人在各种路面和地形上移动。
创造人造肌肉一直是科学和工程学的重大挑战，在材料方面，形状记忆金属（SMA）、气动制动器和电活性聚合物（EAP）都是不错的选择。在 EAP 领域，最主要的研究方向就是介电弹性体（DEs），该材料应变大、断裂韧性和功率重量比与天然肌肉相近，所以灵活、通用且高效的 DEAs 就成了制作新一代机器人的最优选择。
图 | DEA 工作原理示意图，DEA 由两个柔性电极之间的弹性体组成，当施加电压时，发生电荷分离并在膜上引起静电压力，电极相互吸引，这会使薄膜变形，增加其面积并减小其厚度（来源：裴启兵教授论文“Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations”）
DEAnsect 由三个 LVSDEA（低压堆叠式 DEA）驱动，每个 LVSDEA 都连接一条腿，这些装有人造肌肉的 “昆虫腿” 通过快速打开和关闭电压来运动，每秒开关电压达到 450 次。腿与地面大概呈 45°，利用方向摩擦力向前移动。
机器人利用独立的腿部驱动力进行自动转向。当三条腿都在活动状态时，机器人向前移动，当前腿和左腿处于活动状态时，右腿作为轴点，机器人向右转。同理可以向左转和向后转。
GIF | DEAnsect 运动原理（来源：论文）
该团队使用纳米制造技术，通过降低弹性体膜的厚度，开发出只有几个分子厚的柔软、高导电性的电极，使人造肌肉能够在相对较低的电压下工作。这种巧妙的设计使研究人员可以大大减小电源的尺寸。
EPFL 软换能器实验室主任 Herbert Shea 评价说：“DEA 通常在几千伏的电压下工作，这需要一个大型的电源装置。” “我们的设计使仅重 0.2 克的机器人就可以背负一切所需的东西。”
Herbert Shea 补充道：“这项技术为 DEA 在机器人技术中的广泛应用、智能机器人昆虫群巡检、远程维修提供了新的可能性，还可以通过派遣机器人到昆虫群落中生活来加深对昆虫群落的了解。”
专访论文一作冀晓斌
DeepTech：你是如何想到要做这个机器人的？灵感来源是什么？是蟑螂吗？
冀晓斌：我做这个机器人的灵感是爬行类昆虫。当然蟑螂也是启发源泉之一。昆虫体重很轻，但是却可以非常灵敏，而且柔性的身体可以赋予他们顽强的生命力。尤其是昆虫族群体现的集体智能赋予它们更强的集体生存能力。
DeepTech：DEAnsect 的突出特征是被苍蝇拍拍打之后依然可以运动，并且可以自主导航，这是如何实现的，难点是什么？
冀晓斌：DEAnsect 之所以能够幸免于拍打而继续运转，是因为它是软体人造肌肉驱动的。我们使用的人造肌肉是一层只有 20 微米厚的弹性体硅胶薄膜，柔软的本质使得这类驱动器可以在被扭曲、挤压等发生变形的条件下继续工作。所以，DEAnsect 即使被拍打，驱动系统依然可以工作，这是怎么回事它能继续行进的原因。
关于自主巡航，我们在软体机器昆虫上集成了整个机器人系统，包括微控制器当做大脑进行逻辑决断，光二极管当做双眼来识别路线，还有电池来供能。
难点在于，昆虫大小的自主软体机器人从来就没发表过。因为软体驱动器的功率一般很低，尤其是在昆虫级别，让软体昆虫机器人负载整个机器人系统，包括传感器、控制器、驱动器、供能系统等等，是非常具有挑战性的。
介电型弹性体致动器（DEA）是一类人造肌肉，具有高输出功率，但是一般需要几千伏来驱动。几千伏电压的电子配件的大小和重量，限制了 DEA 机器人的小型化与整体性能。我们的工作降低了 DEA 驱动电压的一个数量级，从而使我们大家可以使用超轻质量（小于一克）的控制与供能系统。
DeepTech：DEAs 能在低电压下工作是一个突破，这个机器人需要的电压是多少，目前的续航能力如何？
冀晓斌：自主 DEAnsect 被设计的工作电压是 450 伏特。我们大家可以用相同的纳米制造工艺制造更低电压运转的 DEAs（100V）。目前，在电池充满一次电的情况下，可以连续工作大约 14 分钟，没电以后可以再次充电，然后继续工作。
DeepTech：Herbert Shea 说这项技术为智能机器人昆虫群巡检提供了可能性，但是机器人不会飞的话是不是会影响性能和应用场景？相比于哈佛大学 RoboBee 的 RoboFly，DEAnsect 有哪些优劣势？
冀晓斌：根据不同的应用环境，巡检机器人可以被设计为在空中飞行，陆地爬行，还有水下游泳。陆地上的巡检不一定非要飞行机器人，比如之前波士顿动力的 Spot mini，就是四足陆地机器人，用于建筑工地的巡检任务。
我很喜欢哈佛大学的 Robobee 还有 Robofly，可是他们大多数都是有线连接的，无线版本的 Robobee 也被发表，但是整个飞行时间只有几秒，而且需要强光光源为集成的太阳能电池供电才能实现无线飞行。供能设备的集成一直是小型轻量化机器人的瓶颈。
DEAnsect 的最大优势是完全独立自主，不需要外部供能设备，因为可充电锂电池已经集成在机器人上。其次的优势是 DEAnsect 是由软体人造肌肉驱动，赋予它顽强的生命力。
劣势是 DEAnsect 目前为手工组装，所以制造一个族群需要耗费大量精力，而且手工组装精度也受限制。所以 DEAnsect 的自动化制造过程需要被研发。
DeepTech：您和同事之后的研究方向是什么？
冀晓斌：我们将来的长期目标是做一个 DEAnsect 族群来模拟昆虫族群的集体智能表现。从而执行多功能化的任务，比如灾难救援，还有与自然界昆虫聚居来研究它们。
研究团队
此篇研究论文发表在 Science Robotics 上，论文作者包括冀晓斌、刘昕畅、Vito Cacucciolo、Matthias Imboden、Yoan Civet、Alae El Haitami、Sophie Cantin、Yves Perriard、Herbert Shea（通讯作者）。
冀晓斌，洛桑联邦理工学院软传感器实验室博士助理。2015 年在塞尔吉 - 蓬图瓦兹大学获得化学博士学位，随后在洛桑联邦理工学院担任博士助理。
刘昕畅，目前是 R&D 工程师。2012 年硕士毕业于北航计算机科学系，2010-2012 年赴巴黎中央理工学院攻读了工程硕士和信号处理硕士，2013 年开始在洛桑联邦理工学院攻读机器人控制和智能系统博士。今年一月加入 R&D。
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