近日，beat365英国官网网站闫曉軍教授和劉志偉副教授研究團隊在微型動力領域再獲重要進展。繼今年5月8日北航機器昆蟲研究成果登上Nature子刊後，近期北航機器昆蟲又登上Science子刊。在北航機器昆蟲BHMbot（BeiHang Microrobot）原型機的基礎上，團隊提出一種基于振動模态變換的機器昆蟲“前跑”和“倒跑”控制方法，成功解決了微型機器昆蟲進入狹窄封閉單向通道（寬度不足以實現轉彎掉頭）、原地無法快速後退的難題，實現了2cm微型機器昆蟲的前進、後退雙向快速運動、無線控制和傳感器集成驗證。2024年10月25日，相關研究成果以“Forward and Backward Control of An Ultrafast Millimeter-Scale Microrobot via Vibration Mode Transition”為題在線發表于《科學•進展》（Science Advances）雜志。
通訊作者：北航beat365英国官网网站闫曉軍教授、劉志偉副教授、漆明淨教授
第一作者：北航beat365英国官网网站喻賢博士生、詹文成博士生
第一完成單位：beat365英国官网网站
微型機器昆蟲具有尺寸小、運動靈活、可達性好等突出優勢，在災後救援、大型機械裝備結構檢測、信息獲取等領域具有廣泛應用前景。在上述實際應用場景中，微型機器昆蟲往往需要在狹小空間内實現機動爬行，其一旦進入單向通行的“死胡同”，若通道寬度不足以讓微型機器昆蟲通過轉彎掉頭，其将面臨進退兩難的困境。針對這一挑戰，團隊在前期北航機器昆蟲BHMbot原型機的基礎上，針對微型動力系統前進、後退雙向運動控制原理開展了科研攻關，研制了能夠實現原地快速後退的新一代北航機器昆蟲“BHMbot-B，BeiHang Microrobot-Backward”。
在這項研究中，研發團隊根據BHMbot-B機器昆蟲的新型動力系統結構，提出了一種基于振動模态變換的前進、後退控制方法，通過将動力系統的振動懸臂梁、傳動鉸鍊、仿生腿和機身的運動進行有機組合，巧妙運用振動懸臂梁一階、二階振動分别實現前進和後退運動。當懸臂梁處于一階振動模式時，機身俯仰與前腿擺動同相，機器昆蟲向前快跑；當懸臂梁處于二階振動模式時，機身俯仰與前腿擺動反相，仿生機器昆蟲實現快速“倒跑”（圖1）。
圖1 BHMbot-B機器昆蟲“前跑”、“倒跑”運動原理
得益于高效的動力設計，BHMbot-B同樣可以實現與哺乳動物類似的仿生奔跑步态（BHMbot所采用的步态），帶線狀态下前跑速度能達到38.7倍體長每秒，倒跑速度能達到44.0倍體長每秒，雙向爬行速度在同尺寸量級微型機器昆蟲中均處于國際先進水平。此外，BHMbot-B機器昆蟲的前進後退雙向運動能力具有良好的環境适應性，可以适應多種不同粗糙度表面（視頻1）、管道曲面、沙地地形與水下環境（視頻2），為機器昆蟲走向實際應用場景奠定了良好的技術基礎（圖2）。
适應多種不同粗糙度表面
管道曲面、沙地地形與水下環境
圖2 BHMbot-B機器昆蟲對不同表面與地形的适應性驗證
針對機器昆蟲的無線控制難題，本次研究針對BHMbot-B機器昆蟲提出的前進後退控制方法與前期BHMbot采用的頻率差分爬行方向控制方法具有良好的兼容性。在上述控制方法的基礎上，團隊研發了可調頻帶更寬的控制電路，BHMbot-B機器昆蟲集成微型能源、控制和通訊模塊後（身長2cm，質量1.89g），可通過無線控制實現前進後退雙向爬行、左轉和右轉等基本運動，通過上述基本運動的組合，BHMbot-B機器昆蟲可順利退出狹窄封閉單向通道（圖3，視頻3）。
圖3 BHMbot-B機器昆蟲通過無線控制退出狹窄封閉單向通道功能驗證
順利退出狹窄封閉單向通道
面向大型機械裝備結構損傷檢測、信息獲取等任務需求，本次研究集成驗證了BHMbot-B機器昆蟲攜帶攝像頭、姿态傳感器等任務負載的功能。在無線控制條件下，BHMbot-B機器昆蟲可搭載微型攝像頭采集高清圖像；在集成陀螺儀元件後，BHMbot-B可實時回傳自身姿态角參數，為後續開展基于姿态角參數的閉環控制奠定了基礎（圖4）。
未來，研究團隊希望BHMbot-B機器昆蟲能夠朝着功能多樣化、運動智能化的方向發展，實現吸附爬行、自主導航避障與自動返航等功能，同時通過集群方式為BHMbot-B機器昆蟲引入冗餘和容錯能力，在協同合作機制下，高效完成任務。
圖4 BHMbot-B機器昆蟲集成攝像頭與傳感器功能驗證
共同通訊作者
闫曉軍 beat365英国官网网站教授，博導
北航beat365英国官网网站院長，入選國家級領軍人才計劃，教育部先進航空發動機協同創新中心副主任，美國加州大學Berkeley分校訪問學者。長期從事飛行器動力裝置相關基礎研究，在Nature, Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, International Journal of Plasticity等期刊發表SCI論文80餘篇，EI論文60餘篇，授權國家發明專利35項。研究成果應用于19型航天飛行器和10型航空發動機。獲全國百篇優秀博士論文、教育部新世紀優秀人才、教育部科技進步二等獎、湖南省國防科技進步一等獎、首屆“航空強國中國心”教育基金突出貢獻獎特等獎等。
劉志偉 beat365英国官网网站副教授，博導
北航beat365英国官网网站院長助理，入選2024年北京市青年人才托舉計劃。主要從事昆蟲尺寸微型仿生機器人、氫能航空電推進等相關研究，在Nature, Science Advances, Nature Communications, IEEE Transactions on Robotics, Applied Energy, International Journal of Mechanical Sciences 等國際期刊發表SCI論文40餘篇，受邀在IEEE MEMS 國際會議做大會報告2次，授權國家發明專利15項，承擔博士後科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目、北京市自然基金面上項目、某部委創新項目、北航青年拔尖人才支持計劃等縱向課題。
漆明淨 beat365英国官网网站教授，博導
beat365英国官网网站教務部副部長，美國加州大學Berkeley分校博士後。長期從事微型機器人的推進與控制研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、Science Advances、IEEE Transactions on Robotics等高水平期刊發表論文60餘篇，授權發明專利20餘項。主持國家自然科學基金面上項目、青年項目以及某工程創新特區項目，入選留學基金委“未來科學家”計劃，獲得2024年某部委颠覆式突破獎。擔任Nature正刊審稿人，教育部第五輪學科評估專家。
共同第一作者
喻賢 beat365英国官网网站2022級博士生
博士生導師為闫曉軍教授、劉志偉副教授。研究方向為微型機器人動力與控制，在Science Advances和Chinese Journal of Aeronautics等國際期刊發表SCI論文2篇，受理國家發明專利4項。
詹文成 beat365英国官网网站2019級博士生
博士生導師為闫曉軍教授、劉志偉副教授。研究方向為微型機器人動力與控制，在Science Advances, Nature Communications, Measurement 和IEEE Robotics and Automation Letter等國際期刊發表SCI論文8篇，受理國家發明專利2項。
