近日，哈爾濱工業大學（簡稱：哈工大）機電工程學院劉英想教授團隊在微小型機器人研究方面取得新進展，相關研究以《一種靈活的基于剛性圓環結構的3厘米尺度四足壓電機器人》（An Agile 3cm-Scale Quadruped Piezoelectric Robot with a Rigid Ring-Shaped Structure）為題發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。這一研究成果為微小型機器人實現靈活快速運動、大負載能力、高分辨力兼備提供了一種有效的解決思路，在微小器件的大范圍運輸及檢測等領域具有應用潛力。
微小型機器人因其體積小、重量輕、運動靈活等特點，在顯微操作、環境探察、救援搜索等領域展現出較好的應用前景，是機器人領域的熱門研究方向。采用傳統電磁驅動方式的機器人容易實現快速靈活運動，但受限于傳動機構，結構相對復雜，不利于進一步小型化。此外，電磁驅動方式存在電磁干擾，且縮放軸承和線圈等組件后的輸出力提升受限。壓電驅動具有精度高、響應快、功率密度大、電磁兼容性好等優點，非常契合微小型機器人的發展需求，其中采用彈性體振動模態致動的諧振型壓電機器人一般具有較高的速度，但存在平面靈活運動和大負載能力難以兼顧的矛盾。因此，如何研制出平面靈活運動和大負載能力兼備的微小型壓電機器人成為本領域的重大挑戰之一。
針對上述問題，自然界中的一些硬殼動物（如螃蟹等）提供了一種有趣的解決方案：它們用于保護身體的堅硬外殼有利于承受較大負載，同時通過足端的多方向致動軌跡實現了靈活運動。借鑒這一思路，團隊提出了一種基于剛性圓環結構的3厘米尺度四足壓電機器人：一方面利用設計的高剛度圓環基體和圓柱驅動足實現了大負載能力，另一方面通過圓環基體不同振動模態間的復合疊加，在足端生成了多維致動軌跡，實現了平面的直線和旋轉運動。
基于有限元方法，團隊總結了關鍵結構參數對諧振頻率和足端位移的影響規律，完成了機器人的結構參數設計。為了驗證相關設計和方法的可行性，團隊研制了大小為30毫米×30毫米×14.3毫米、重6.9克的圓環型四足壓電機器人樣機，并對其開展了一系列特性測試實驗。實驗結果表明，機器人樣機在直線運動中最大速度為每秒255毫米，在200克（約30倍自重）的負載下其運動速度仍能達到每秒92毫米，通過使用脈沖超聲激勵方案，其分辨力可達0.25微米（μm）。機器人樣機在旋轉運動中最大速度為每秒1265度，在200克負載下其轉速仍可達到每秒424度，在脈沖激勵模式下其分辨力為32.7微弧度（μrad），機器人的功耗約為0.42瓦（電壓峰-峰值為100）。機器人樣機在運動速度、靈活性、負載能力和分辨力方面都展現出良好的性能。
壓電機器人的構型規劃、仿真分析和展示試驗
哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。哈工大機電工程學院李京副研究員和碩士研究生劉保熠為論文共同第一作者，劉英想教授為論文通訊作者，陳維山教授、張仕靜副研究員和鄧杰副教授為論文共同作者。該項研究工作得到國家自然科學基金項目資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202422499
