单驱动器驱动的无束缚软体微型机器人实现敏捷导航

研究人员受蟑螂灵活运动启发，开发出仅重1.12克、长2厘米的软体微型机器人，通过单压电驱动器(PET/PVDF unimorph)调控腿部运动轨迹，实现4.8 BL/s(体长/秒)的前进速度和280°/s的转向速度，并能承受成人踩踏(53,000倍自重载荷)。该研究解决了多驱动器微型机器人存在的重量大、控制复杂等问题，为搜救、医疗等受限环境应用提供了新方案。

　　

在灾害救援、管道检测等复杂场景中，传统刚性机器人常因体积限制难以施展，而昆虫却能在狭小空间灵活穿梭。蟑螂凭借其柔性外骨骼(exoskeleton)和精准运动控制，成为仿生机器人研究的经典模型。然而，现有重量<1克的微型机器人(microrobot)多依赖多个驱动器(actuator)实现运动，导致系统复杂、能耗高且易损坏，这成为制约其实际应用的瓶颈问题。

四川大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，通过单压电驱动器(PET/PVDF unimorph)创新设计，开发出兼具高机动性和超强鲁棒性的无束缚软体微型机器人。该机器人仅重1.12克，却能以4.8倍体长/秒(BL/s)的速度移动，承受53,000倍自重载荷，成为首个被成人踩踏后仍能正常工作的毫米级机器人。

关键技术包括：(1)采用聚酰亚胺(PI)薄膜构建"音叉形腿+短蛇形结构"的柔性外骨骼；(2)通过模态分析(modal analysis)优化30阶振动模式，实现单驱动器对腿部运动轨迹(线形/椭圆形/圆形)和方向(CW/CCW)的精确调控；(3)集成375mg锂电池和485mg电路板，输出500-Vpp方波驱动压电材料。

设计原理与工作机制

机器人采用三层压电驱动器(PET/PVDF unimorph)，通过交流电压(AC)诱发周期性弯曲运动。实验显示，驱动频率变化可产生8种特征腿部轨迹，包括顺时针(CW)椭圆、逆时针(CCW)圆形等，与30阶模态分析的预测高度吻合。

转向机制

研究发现即使相同频率下，四条腿的相位差(Δ?)也会产生不同运动模式。例如102Hz驱动时，左后腿的CCW轨迹与右前腿的CW轨迹形成扭矩，实现280°/s的转向速度，这种单驱动器转向策略比传统多驱动器方案减重40%。

柔性外骨骼的鲁棒性

受折纸结构启发的外骨骼可承受125%拉伸和50%压缩，63.7kg踩踏后速度仅降低7%。自由落体测试显示70%概率能保持运动功能，在砂石地面仍能以0.2 BL/s移动。

无束缚系统性能
集成系统在封闭管道内保持3.1 BL/s速度，水面移动达0.2 BL/s。与同类产品对比，其单位重量机动性(4.8 BL/s×280°/s)超越所有<3克机器人，且仅需单个驱动器。

该研究通过"驱动器-外骨骼-控制"协同创新，突破了微型机器人简化驱动与增强鲁棒性的矛盾。未来通过集成跳跃/滑翔模式、优化能源效率，有望在危险环境探测等领域发挥重要作用。其单驱动器多模式控制策略，为微型机器人设计提供了全新范式。