承载22倍于自身重量前行，垂直跳跃59厘米，用爆炸驱动的昆虫机器人来了

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小小机器人能量大爆发，身体如昆虫一般大小，却可以携带 22 倍于自身重量的物品，爬行、跳跃都不是问题。

机器人轻松地跳上了比自身高出几倍的跳台

可以追求更高的高度：

负重物前行：

这款机器人由来自康奈尔大学的研究者研发，该机器人长 29 毫米，重量仅为 1.6 克，可以垂直跳跃 59 厘米，并且可以携带 22 倍（36 克）于自身重量的物品行走。相关论文《Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots》发表在 Science 上。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067

这项研究通过使用内燃机来解决小型机器人的驱动问题。研究人员将甲烷蒸气和氧气注入燃烧室，然后使用微小的火花来点燃混合物

不到半毫秒，腔室顶部像活塞一样向上膨胀，每秒重复一百次的循环产生 9.5 牛顿的力。机器人的每条腿有两个执行器驱动，这样就得到了一个异常强大的软体四足机器人。

为该机器人每条腿提供动力的是两个执行器，重量仅为 325 毫克，大约是一美分硬币大小的四分之一。它们之所以如此小型，部分原因是大多数相关部件都在机外，包括燃料本身、混合和输送燃料的系统以及火花发生器的电源。

该研究的项目负责人、康奈尔大学材料工程师Robert Shepherd表示：“执行器看起来就像一个鼓，它是一个空心圆柱体，顶部有弹性硅橡胶。为了驱动执行器足以使机器人跳跃或爬行，我们将甲烷和氧气流注入到每只足中，并通过电池产生的电力产生火花。气体之间发生反应形成水和二氧化碳，以小爆炸的形式释放能量，导致橡胶层变形，就像活塞一样。”

Robert Shepherd 还表示：「微小的爆炸发生得如此之快，以至于没有火焰来燃烧或损坏橡胶。但它们提供了相当大的推进力：机器人可以跳到 56 厘米高，并能承载 22 倍于自身重量的负载。」

方法介绍

该昆虫机器人的最大特点是其执行器需要处理实际爆炸情况。这是一个巨大的挑战，需要确保机器人在每次爆炸时不会自燃

执行器和其组件的材料如图（A）所示，燃烧执行循环如图（B）所示。研究团队估计该执行器非常耐用，可以连续运行超过750000个循环周期（50Hz下约8.5小时），而不会出现性能下降

执行器的性能主要受两个因素影响：一个是驱动频率 f，一个是燃料 - 氧化剂浓度 φ，φ 可以用如下公式描述：

下图描述了执行器的性能与驱动频率和燃料 - 氧化剂浓度的关系：

为了深入研究机器人的运动机制，研究团队构建了一个简化的系统模型。该模型考虑了几个关键因素，包括硅橡胶膜（执行器膜）的弹性、电池内的燃料流动、燃料释放的能量、压力和温度。利用这个模型，研究团队可以预测执行器膜的位移值、执行器的阻挡力、机器人的跳跃高度，以及作为驱动函数的排气流率

为了证明微型执行器在驱动昆虫级装置方面的有效性，我们进行了一项研究，并设计制造了一个由燃烧驱动的四足机器人。如图3（A）所示，每个燃烧室都是独立的，用于驱动机器人的前脚和后脚（图3（B））。我们通过点火产生火花，并导致腔室两端的弹性体膜膨胀（图3（C）（D））。图3（E）展示了机器人腿和足的理想示意图，并用于建模跳跃动力学。我们还建立了一个图3（F）中的等效比函数模型，用于描述机器人在不同驱动频率下的跳跃高度

下面为机器人多步态功能的表征图。机器人可以通过修改燃料比和火花频率来切换运动方式。

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