飛過石堆，穿過樹枝，穩穩降落并行駛于地面……復雜戶外環境下，一臺體長9厘米、質量25克的微型無線陸空兩棲機器人行動自如。
微型陸空兩棲機器人在室外復雜場景中的運動
4月18日，清華大學航天航空學院、柔性電子技術國家級重點實驗室張一慧教授課題組在《自然—機器智能》上以研究論文形式在線發表題為“具有連續三維變形和鎖定能力的可重構機器”的研究成果。該課題組開發了幾何形狀可定制、具有連續變形和鎖定特性的小尺度驅動器，并研制出目前已知世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機器人，以及可在“跑車”“飛車”“貨車”多種構型間切換的多功能微型輪式機器人。
論文第一作者、清華大學航天航空學院博士研究生徐世威介紹，具有變形和鎖定能力的驅動器如同微型機器人的外骨骼，使其擁有形態切換能力，以適應不同環境。然而，目前其他驅動器在小尺度下難以同時實現連續的形狀變化與構型鎖定，制約了多模式機器人向微型化與無線化發展。
對此，課題組采用材料與結構協同設計的策略，提出一種具有連續形狀變化和構型鎖定能力的新型薄膜形電熱響應驅動器的設計概念。在不同的驅動電壓下，驅動器可以變形并鎖定在不同形態。在此基礎上，受積木玩具啟發，課題組提出一種“搭積木”似的構建方法，可以制備具有復雜重構能力的驅動器，如“變形金剛”。
圖為由多個驅動器單元構成的迷你版“變形金剛”
基于所開發的驅動器，課題組設計制備出一種微型無線陸空兩棲機器人，能夠在4種典型構型之間轉變，進而以地面或空中運動模式在復雜室內及戶外環境中運動。在地面運動模式下，機器人在多種材質上均具有較快的運動速度，最高可達每秒1.6米。此外，機器人構型切換的能耗較低，不超過所用電池容量的1.7%。
此外，課題組還將具有復雜變形模式的驅動器作為微型外骨骼，并集成微型電機等部件，設計制備了一款多功能微型輪式機器人。該機器人質量僅2.5克，能夠在“跑車”“飛車”和“貨車”等多種復雜構型間自由切換。
張一慧表示，此次成果為微型機器人研發應用提供了新的思路和路徑。未來，微型無線陸空兩棲機器人可應用于設備故障診斷及檢修、地質及文物勘探等場景，替代人類執行復雜危險環境下的多種任務。此外，團隊研制的驅動器可賦能生物電子器件，用于構建可展開的植入式醫療器械等。