當(dāng)飛機(jī)執(zhí)行完航班任務(wù)，一群機(jī)械“小蟲子”背著微型攝像頭，排著隊爬進(jìn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)。不多時，發(fā)動機(jī)內(nèi)部的圖像信息就傳到了操作員手上，操作員通過圖片判斷發(fā)動機(jī)內(nèi)部是否存在漏油、結(jié)構(gòu)損傷（如葉片出現(xiàn)裂紋）等隱患。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，機(jī)械“小蟲子”成群進(jìn)入廢墟，穿過狹小通道、翻越障礙物執(zhí)行搜救任務(wù)。多個“小蟲子”組成了搜救網(wǎng)，準(zhǔn)確定位幸存者位置，并向搜救人員傳輸了幸存者周圍廢墟的信息。

在信息、材料、微加工等技術(shù)高速發(fā)展的背景下，上面場景中的機(jī)械“小蟲子”走進(jìn)了我們的生活。2024年5月，北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊成功研制出一種具備快速爬行和方向控制能力的微型機(jī)器昆蟲BHMbot（BeiHang Microrobot），為未來大型機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)損傷檢測和災(zāi)后救援提供了新思路。

我們一起來了解一下這只神奇的機(jī)械“小蟲子”。

BHMbot小檔案

全名：北航機(jī)器昆蟲BHMbot

尺寸：2厘米

重量：自重0.34克，集成微型電池、控制電路、通訊電路等模塊后總重1.76克

開發(fā)者：北航能源與動力工程學(xué)院智能推進(jìn)實驗室

主要用途：航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測、災(zāi)后搜救、信息偵察等

特長：運(yùn)動速度快，背負(fù)自身質(zhì)量5.5倍（2克）重物后速度可達(dá)25倍身長每秒（和空載的速度相當(dāng)），與普通蟑螂運(yùn)動速度相當(dāng)

Buff：控制策略簡潔高效，能輕松實現(xiàn)沿復(fù)雜路徑爬行、遙控爬行

強(qiáng)勁動力從何而來？

BHMbot采用了兩個電磁驅(qū)動器作為核心動力來源，其獨(dú)特的動力方案成功解決了微型機(jī)器昆蟲承載后速度驟降的難題。對于尺寸在厘毫米級的微型機(jī)器昆蟲，目前國際上面臨的首要技術(shù)挑戰(zhàn)，是“微型動力系統(tǒng)”的研發(fā)。大多數(shù)微型機(jī)器昆蟲在背負(fù)微型能源（電池）、控制電路后速度驟降（下降幅度超過90%），甚至根本無法實現(xiàn)爬行。BHMbot采用振動類電磁驅(qū)動器作為動力核心，在交流電的作用下，電磁驅(qū)動器輸出高頻率振動，通過靈巧的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，將驅(qū)動器的振動輸出轉(zhuǎn)化為BHMbot前腿的擺動，前腿通過與地面的相互作用實現(xiàn)前進(jìn)。

從爬行步態(tài)來看，BHMbot采用了與哺乳動物類似的奔跑步態(tài)。自然界的哺乳動物（如獵豹、犬類等）和部分昆蟲（如蟑螂等），在捕食或逃避天敵時往往都采用奔跑步態(tài)實現(xiàn)快速前進(jìn)。在奔跑過程中，身體通過腿部與地面的周期性作用實現(xiàn)騰空，形成類似于彈跳前進(jìn)的運(yùn)動方式。BHMbot同樣采用上述奔跑步態(tài)實現(xiàn)快速前進(jìn)，當(dāng)前腿擠壓地面時，地面提供給BHMbot向前騰空的作用力，機(jī)器昆蟲前進(jìn)的速度由其單次彈跳的距離和每秒彈跳的次數(shù)決定?？蛰d時，BHMbot單次彈跳距離較長，與此對應(yīng)的騰空時間也較長，因而在一秒內(nèi)機(jī)器昆蟲彈跳的次數(shù)有限；當(dāng)背負(fù)載荷時，機(jī)器昆蟲單次彈跳距離縮短，單次彈跳所需的時間也縮短，在一秒內(nèi)可以彈跳的次數(shù)更多。彈跳頻率和彈跳距離的互補(bǔ)式設(shè)計使BHMbot在承載后速度依然可以維持較高水平。

高效控制怎樣實現(xiàn)？

除了驚人的爬行速度外，BHMbot的另一卓越性能是爬行方向控制性能。對于厘毫米級的微型機(jī)器昆蟲而言，現(xiàn)有的通用方案一般是采用多個驅(qū)動器控制機(jī)器昆蟲的腿部運(yùn)動。然而，過多驅(qū)動器必然會提高結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不利于機(jī)器昆蟲的微型化。針對這一難題，BHMbot采用了與人行走轉(zhuǎn)彎類似的控制方案，通過2個電磁驅(qū)動器即可同時實現(xiàn)機(jī)器昆蟲的驅(qū)動和方向控制。人在行走過程中，若左右兩條腿的速度保持一致，就可以近似沿一條直線行走；當(dāng)需要左拐或右拐時，人只需要在行走過程中微調(diào)左右腿的速度差。BHMbot便采用了上述控制方案，當(dāng)左轉(zhuǎn)彎時，它的左側(cè)腿部的速度小于右側(cè)的速度，同理，當(dāng)右轉(zhuǎn)彎時，右側(cè)腿部的速度小于左側(cè)的速度。在該控制策略下，機(jī)器昆蟲無需調(diào)整腿部運(yùn)動方式，僅需控制兩側(cè)速度的差異就能輕松實現(xiàn)方向控制。

基于上述控制方案，研發(fā)團(tuán)隊針對BHMbot的無線控制研發(fā)了微型控制電路，同時集成了遙控通訊的功能。目前，BHMbot提供兩種操縱模式，第一種模式是程序控制，在爬行任務(wù)開始之前，為BHMbot預(yù)設(shè)一段軌跡代碼（如圓、矩形、字母軌跡等），當(dāng)BHMbot工作時，可沿規(guī)定軌跡運(yùn)動；第二種模式是實時遙控控制，操縱員實時發(fā)送操縱指令，BHMbot即可遵循遙控指令實現(xiàn)爬行。

為“上崗”接受重重考驗

在快速機(jī)動、無線控制的能力保證下，BHMbot目前已實現(xiàn)在特定實驗場景的功能驗證。首先，是災(zāi)后搜救場景驗證，BHMbot攜帶著微型麥克風(fēng)爬行至模擬廢墟，采集廢墟中發(fā)出的SOS信號并將其實時回傳至控制端，任務(wù)結(jié)束后BHMbot返回至起始點。其次，是航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部爬行驗證，面對航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測，考慮到拍攝圖像的需求，BHMbot目前成功集成了一款微型攝像頭并能實現(xiàn)圖像的實時回傳。此外，當(dāng)BHMbot遠(yuǎn)距離執(zhí)行任務(wù)時，可通過無人機(jī)將其投放至指定位置，完成任務(wù)后，它會爬行進(jìn)入無人機(jī)吊艙并通過無人機(jī)返回。

盡管BHMbot已在實驗室條件下實現(xiàn)了快速爬行、無線控制、傳感集成等功能，但距離實際應(yīng)用還存在一定差距。為實現(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)內(nèi)開展結(jié)構(gòu)損傷檢測，未來還需針對BHMbot吸附爬行（類似于壁虎）和自主避障控制功能開展研發(fā)；考慮單個BHMbot作業(yè)區(qū)域有限，未來應(yīng)用時往往需要多個BHMbot協(xié)同工作，因此，集群控制和集群智能也是BHMbot未來發(fā)展的方向之一。

作者單位 北京航空航天大學(xué)