高集成强鲁棒性厘米级压电四足机器人的创新设计与跨尺度运动研究

为解决厘米级机器人集成度低、鲁棒性差的问题，研究人员开发了一种内置驱动方法的压电四足机器人，通过多维度振动轨迹实现高速运动（47.38 BL/s）、高负载（28.96倍自重）和高精度（0.33 μm），并完成无线集成与抗冲击验证（承受3,500倍体重压力），为微型机器人应用提供新范式。

　　

厘米级机器人因其体积小、重量轻和灵活运动的特点，在生物医学、环境探测等领域展现出巨大潜力。然而，现有技术面临两大瓶颈：传统电磁电机存在电磁干扰和传动磨损，而基于智能材料（如介电弹性体、形状记忆合金）的驱动方案又受限于高电压、慢响应或笨重的外部场需求。压电驱动虽响应快、结构简单，但陶瓷脆性和功能模块分散的问题长期制约其应用。

针对上述挑战，中国科学院某研究所的研究团队在《Cyborg and Bionic Systems》发表研究，提出一种内置驱动的厘米级压电四足机器人。该设计通过将压电陶瓷（PZT-4）嵌入金属基体，利用二阶弯曲振动模态合成足端椭圆轨迹，实现跨尺度运动（亚微米至米级）。关键技术包括：有限元仿真优化谐振频率（22 kHz）、柔性电路板无线控制系统（ESP32芯片）、多模态振动测试（激光测振仪）以及抗冲击实验设计（跌落、踩踏测试）。

结构设计与运动分析
机器人采用8片压电陶瓷分两组（水平PZT-A₁/A₂和垂直PZT-B₁/B₂），通过90°相位差信号激发正交振动，形成足端三维椭圆轨迹。仿真显示X/Y向振幅分别达12.88 μm和14.06 μm（160 V_p-p），实验验证频率误差仅0.73%。

性能表征
内置驱动版本最高速度达47.38 BL/s（616 mm/s），负载能力为419 g（28.96倍自重），最小步长0.33 μm。无线集成版本（18.8 g）续航32分钟，温度上升22.6°C，且在66.45 kg踩踏后仍可运行。

应用验证
双模块传感机器人（DMSR）通过Wi-Fi实现实时图像采集与目标检测（OpenCV算法），并完成抗冲击测试（3次跌落、2次踢击）。

该研究通过内置驱动与集成方法，解决了压电机器人易损性和模块分散的核心问题。其高负载、低启动电压（10 V_0-p）和跨尺度运动能力，为微创手术、狭缝探测等场景提供了新工具。未来可进一步探索功能模块快速切换和高功率电路设计，以拓展环境适应性。