仿生3D打印人工肢助力昆虫机器人自我校正运动
研究背景
在救援任务中，为了提升搜救效率，一种新兴的解决方案是利用电子背包与昆虫的结合体——赛博昆虫（cyborg insects）。这些昆虫结合了生物与电子技术的优势，通过附加的电子背包用于通信、感应和控制。然而，附加设备会影响昆虫的平衡，尤其是在其自我摆正（self-righting）动作中。如果昆虫在执行任务时遭受摔落或意外冲击，原先的机器装置可能会导致其翻倒不能自如行动。为了应对这一挑战，本研究引入了一种仿生3D打印人工肢体，它模仿了瓢虫的自我摆正动作，提高了赛博昆虫在复杂和不可预测条件下的灵活性。
文章来源
该研究由Marc Josep Montagut Marques、Qiu Yuxuan、Hirotaka Sato和Shinjiro Umezu团队完成。作者隶属机构分别是日本早稻田大学综合生物工程系、现代机械工程系，以及新加坡南洋理工大学的机械与航空工程学院。该论文发表在2024年的《npj | Robotics》杂志上。
研究工作流程
研究环节与实验设计
研究工作包括以下几个主要步骤：
步骤一：人工翼设计 本研究从瓢虫科昆虫的自我摆正动作中获取灵感，设计了一种仿生3D打印人工翼（bio-inspired artificial wing）。这个设计结合了逻辑控制、运动传感器、能量储存和主动式自我摆正机制。仿生翼的几何形状采用了从瓢虫身体曲线和移动特征中提取的重要参数。
步骤二：巧妙的3D打印技术 采用数字光处理（DLP）的3D打印技术制造该仿生翼，确保生产出来的机械部件能在灾难场景中有效运作。使用通用的工具和材料制作，便于其他研究人员借鉴与改进。
步骤三：原型测试与优化 初步用简单的翼型进行自我摆正测试，该翼型通过销接头连接电子背包，驱动旋转45度。发现仿生翼能实现更大倾斜角，进一步提升了自我摆正成功率。
自我摆正测试
研究团队在多种环境下进行了测试，以下是具体步骤和结果：
步骤一：仿真救援任务表面条件 昆虫被放置在三个模拟救援场景的表面上：平整纸张、石子排列以及硬木泥土。昆虫从30厘米高的地方坠落，分别观察其在不同负重情况下的自我摆正能力。
步骤二：实施准确角度测试 在透明的丙烯酸板上检测坡角，测试昆虫在不同角度倾斜表面上的自我摆正成功率。进一步进行实验时，背包装在昆虫身上，观察昆虫滑落过程中的动态响应。
实验结果及结论
结果一：仿生翼性能优异 由试验证明，仿生翼在不同表面下表现都较佳，尤其在模拟的岩石和泥土环境下，其自我摆正成功率显著高于其他设计。
结果二：更大倾斜角度与更高恢复效率 仿生翼在的一个关键特点是其可以实现最大150°的自我摆正角度。而昆虫在普通翼的情况下最多只能实现98°，不仅自我摆正频率高，恢复时间也短于其他设计。
结论和实际应用 本研究证明了利用仿生学设计的人工肢体，可以有效提升昆虫在复杂和不可预测环境中的自我摆正能力。这为使用赛博昆虫进行灾难求救任务打下了坚实基础，具有重大的应用价值和科学意义。
研究亮点
- 创新性设计：仿生3D打印人工肢体的设计，结合了瓢虫自然形态的结构特征和运动学，展现了高自我摆正成功率。
- 实际应用可行性：研究证明了这些赛博昆虫在灾难环境中展现的卓越表现，可以为实际救援应用提供新的解决方案。
- 制造和设计方法简易：利用常见材料和工具制作，方法易于复制，可以广泛推广应用于相关研究领域。
在赛博昆虫领域，本研究的成果显著推进了机器昆虫的实际应用，为未来救援任务提供了新的启示。这不仅推动了仿生学和3D打印技术在机器人中的应用，还提供了一种可行的、低成本的救援工具，极大地提高了在复杂灾难场景中的搜救效率。