美國(guó)DARPA支持研發(fā)微型機(jī)器人，用于救災(zāi)或在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境執(zhí)行任務(wù)

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）宣布將支持若干研究項(xiàng)目，以開發(fā)可用于救災(zāi)或在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境執(zhí)行任務(wù)的微型機(jī)器人。

設(shè)想發(fā)生自然災(zāi)害的場(chǎng)景，例如地震，對(duì)建筑物及構(gòu)筑物、關(guān)鍵設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施造成廣泛破壞，并威脅到人類安全。能在廢墟中航行并進(jìn)入高度不穩(wěn)定的地區(qū)的能力，對(duì)于拯救生命或探測(cè)殘骸中存在的其他危險(xiǎn)是非常寶貴的。與機(jī)器人合作來評(píng)估高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景和環(huán)境，可以幫助增加成功搜救和開展恢復(fù)工作的可能性，同時(shí)最小化人類團(tuán)隊(duì)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

“無論是在自然災(zāi)害場(chǎng)景、搜救任務(wù)、危險(xiǎn)環(huán)境，還是在其他緊急救援情況下，機(jī)器人都有可能提供急需的幫助和支持。”美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室(MTO)項(xiàng)目經(jīng)理羅納德·波爾卡威奇（Ronald Polcawich）博士說，“然而，對(duì)于大型機(jī)器人平臺(tái)來說，有許多環(huán)境是無法進(jìn)入的。更小的機(jī)器人系統(tǒng)可以提供重要的幫助，但要縮小這些平臺(tái)需要在基礎(chǔ)技術(shù)方面取得重大進(jìn)步?！?/p>

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）、附件制造、壓電驅(qū)動(dòng)器和低功耗傳感器的技術(shù)進(jìn)步，使研究人員得以擴(kuò)展到微型機(jī)器人領(lǐng)域。然而，由于技術(shù)上的障礙，這些平臺(tái)缺乏動(dòng)力、導(dǎo)航和控制能力來熟練地完成復(fù)雜的任務(wù)。

為了幫助克服創(chuàng)建受極端交換（SWaP）限制的微機(jī)器人的挑戰(zhàn)，DARPA正在啟動(dòng)一個(gè)名為短程自主微型機(jī)器人平臺(tái)（簡(jiǎn)稱SHRIMP）的新項(xiàng)目。SHRIMP的目標(biāo)是開發(fā)論證用于自然和關(guān)鍵災(zāi)難場(chǎng)景的多功能微型機(jī)器人平臺(tái)。為了完成這一使命，SHRIMP將探索驅(qū)動(dòng)器材料和結(jié)構(gòu)以及蓄電池組件的基礎(chǔ)研究，這兩者都是創(chuàng)造多用途微型機(jī)器人平臺(tái)的強(qiáng)度、靈活性和獨(dú)立性所必需的。

驅(qū)動(dòng)器技術(shù)可極大影響機(jī)器人平臺(tái)的移動(dòng)性、承載能力和靈活性等性能。在SHRIMP項(xiàng)目中，研究人員將努力超越目前最先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)出優(yōu)先考慮力的產(chǎn)生、效率、強(qiáng)度重量比以及最大工作密度的驅(qū)動(dòng)器材料和結(jié)構(gòu)。

“驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度重量比影響微型機(jī)器人平臺(tái)的承載能力和耐久性，而最大工作密度則體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)執(zhí)行高強(qiáng)度任務(wù)或在預(yù)期時(shí)間內(nèi)工作的能力?！辈柨ňS奇（Polcawich）說，“在驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和材料方面取得重大進(jìn)展，將極大地影響我們開發(fā)能在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的微型機(jī)器人平臺(tái)的能力?！?/p>

除了先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，SHRIMP還致力于開發(fā)高效的蓄電池組件和功率轉(zhuǎn)換電路。大多數(shù)微型機(jī)器人平臺(tái)依靠系繩電纜進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、處理或控制，并受到能源效率低的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和有限的儲(chǔ)能設(shè)備的嚴(yán)重限制。由于SHRIMP旨在創(chuàng)造獨(dú)立運(yùn)行的復(fù)雜微型機(jī)器人，因此創(chuàng)造緊湊型電源和轉(zhuǎn)換器可以支持高壓驅(qū)動(dòng)機(jī)制并顯著減少電池消耗變得至關(guān)重要。因此，SHRIMP項(xiàng)目將探索能夠以幾十赫茲頻率工作的功率轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)研究、具有極高效率以及高能量密度和高比能電池技術(shù)。

“微米到毫米尺寸的（機(jī)器人）平臺(tái)為推動(dòng)開發(fā)高效、多功能微電子技術(shù)的發(fā)展提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)，”波爾卡維奇（Polcawich）說，“雖然SHRIMP項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)小型、獨(dú)立的機(jī)器人平臺(tái)，但預(yù)計(jì)通過我們的驅(qū)動(dòng)器和電源存儲(chǔ)研究所取得的成果，可能會(huì)對(duì)目前受到這些技術(shù)挑戰(zhàn)限制的許多領(lǐng)域有益——從假肢到光學(xué)轉(zhuǎn)向裝置?！?/p>

雖然先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器和電源技術(shù)將有助于極大地推進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展，但它們只是開發(fā)微型機(jī)器人挑戰(zhàn)的一部分。“極端交換（SWaP）最小化工程是一項(xiàng)多樣化的任務(wù)，必須考慮這些因素，但也要考慮設(shè)計(jì)高性能微系統(tǒng)所需的機(jī)械、電氣和熱量因素?！辈柨ňS奇說。

研究人員將進(jìn)一步挑戰(zhàn)將基礎(chǔ)研究工作與解決工程問題相結(jié)合，以開發(fā)和演示多功能微型機(jī)器人平臺(tái)，提供無約束的機(jī)動(dòng)性、可控性和靈活性。SHRIMP平臺(tái)將采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）機(jī)器人測(cè)試設(shè)施中采用的許多相同原理進(jìn)行評(píng)估，該設(shè)備已經(jīng)適用于微型機(jī)器人平臺(tái)。為了確定潛在的現(xiàn)場(chǎng)效用，每個(gè)參與團(tuán)隊(duì)將參加嚴(yán)格的評(píng)估以測(cè)試平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性、在平面和傾斜表面的可控性、承載能力、速度和其他能力。