昆虫，大自然的“微型机器人”。它们身材小巧，动作灵活，能钻能爬，去哪儿都不在话下。科学家们早就想：要是能造出像昆虫一样灵活的机器人该有多好。但受限于现有的微型驱动技术，人造机器昆虫总是力不从心，要么速度慢，要么载重差，甚至连稳定的方向控制都成问题。
不过，来自北京航空航天大学的科研团队最近带来了好消息，他们发明了一种全新的微型仿生驱动系统，不仅能量利用效率高，而且能精准控制机器人的运动。有了这个“黑科技”，他们打造出了一款跑得比“小强”还快、还稳的机器昆虫“BHMbot”，这项研究已于近日发表在《自然-通讯》杂志上。
机器“小强”定妆照（图片来源：参考文献1）
身怀绝技的 BHMbot
这只 BHMbot 虽然只有 2 厘米长、1.76 克重，但它可不是空心的。它的身上集成了能源、控制、通讯、传感等多个模块，是一台货真价实的微型机器人。而最关键的是它腿上装备的特制动力系统。
与传统的旋转式电机不同，BHMbot 采用了一种直线式电机作为驱动。直线电动机（linear motor，又称线性电动机、线型电动机，）是电动机的一种，其原理是直接把输入电力转化为线性动能，与传统的扭力及旋转动能不同。直线电机本质上是一个电磁铁，通电后会产生往复振动。在微小尺度下，这种结构更容易加工和控制。但振动本身并不能直接带动机器人行走，还需要一个“变速箱”将振动转化为步态运动。
科研团队受到昆虫腿部关节的启发，设计了一组柔性铰链传动装置。铰链的一端连接电机，另一端连接机器人的腿部。当电机振动时，铰链会产生弹性形变，带动腿部挥动。同时，机器人的躯干也会随之产生共振，像弹簧一样蓄势助跑。
铰链传动装置示意图（图片来源：参考文献1）
通过精心设计铰链的刚柔度和腿部的摆动频率，研究人员实现了这种柔性传动系统与机器人身体的共振耦合，大大提高了机器人的运动效率。
这种“直线驱动+柔性传动”的组合，堪称昆虫机器人的“超级动力系统”。它巧妙地避开了传统旋转电机在微型化中的种种局限，又通过仿生结构实现了能量的高效利用。测试显示，这种新型驱动系统的效率可以达到 20% 以上，远高于毫米级传统电机的水平。
于是乎，这个小不点就有了惊人的“脚力”。别看它一次只能跳几毫米，但频率高啊，这小家伙一秒钟能跳几十下，就像上了发条似的，速度可以达到自身长度的 25 倍多！
更神奇的是，这个昆虫机器人居然还能越“驮”越快，给它背上有自身 5 倍多重的“行李”后，它照样欢快地蹦跶。这得益于它能随着载重变化，自动调整跳跃的频率和幅度。在一定范围内，BHMbot 的速度甚至会随着载重的增加而提高。
至于方向控制，科学家们也有妙招。他们在 BHMbot 的两条腿上分别装了微型电机，通过巧妙调节两条腿的运动频率差，就能操控机器人转向。就像两个轮子转速不同，车子就会拐弯一样。这样一来，无需复杂的机械结构，只用两个驱动器就能让 BHMbot 随心所欲地“遛弯儿”了。这种控制方法的灵感同样来自昆虫，昆虫就是通过控制左右两侧肢体的运动频率差，来调节行进方向的。
无限可能——BHMbot 的未来
有了这些“绝活儿”，BHMbot 简直是昆虫界的“超级玩家”。给它编个程序，它就能按计划跑出圆形、矩形，甚至写出“BUAA”（北京航空航天大学的缩写）的字样。而通过手机遥控，它还能灵活地避开障碍。这么能跑能跳的小机器人，用途可就多了。
比如，它可以穿过废墟，去震后现场搜寻幸存者。研究人员已经做了模拟实验，让 BHMbot 在复杂环境中穿行，并成功识别出受困人员发出的求救信号。又比如，这小家伙还能给飞机“体检”。它身材小，跑得稳，正适合钻入发动机等狭窄部位，近距离勘察可能出现的损伤。
BHMbot 穿越废墟的模拟实验（图片来源：参考文献1）
从本质上说，BHMbot 的技术原理是实现了微小尺度下能量转换与运动控制的高度耦合与优化。一方面，直线驱动和柔性传动的巧妙结合在结构设计上找到了电机输出和机器人运动的最佳“频率”。另一方面，这种结构还能根据不同的载重和环境需求，自适应地调整驱动参数，使输出力矩始终与负载阻抗实现“阻抗匹配”，保证能量利用的最优状态。
这项研究的意义，不仅在于造出了一只跑得快、跳得高，还特别能“背”的机器小强，更在于它所采用的微型驱动和控制技术，为昆虫机器人的设计开辟了新途径。这种轻巧、灵活、高效的驱动形式，有望在微型机器人领域带来一场革命。
向大自然汲取灵感的仿生机电科学
纵观 BHMbot 的研发历程，我们不难发现一个贯穿人类文明史的思想内核——向大自然学习，从生物体的精巧结构中汲取灵感，并将其与尖端制造技术相结合，去创造出更高效、更智能的机器。这种仿生学与机器人学的交叉融合，正是当前机器人领域的重要发展方向。
生物进化了数亿年才铸就了昆虫的“完美”形体，而工程师们如今正试图用最先进的科学技术，去重现这种“完美”。这是一条充满挑战，但也充满想象力的道路。
用废弃零件制成的蜘蛛机器人（图片来源：veer 图库）
从蒸汽机到电动机，从家用电器到数控机床，机器的进化史就是一部动力系统的进化史。如今，随着 BHMbot 等微型机器人的出现，这种进化正在向微观尺度延伸。它预示着，我们终有一天能造出媲美甚至超越昆虫的“微型工人”，打造由无数智能微型机器人组成的世界，它们或协同，或自治，执行着各种精细而复杂的任务，服务于人类社会的方方面面。
目前，这个梦想还停留在科幻的想象中，但 BHMbot 的诞生或许已经迈出了关键的第一步。这项突破性的研究，展现了昆虫机器人领域的巨大潜力，也为微型动力系统和控制技术指明了新的方向。它带给我们的，不仅是技术上的惊喜，更是对微观世界的新想象。
我们相信，随着越来越多的科学家投身到这一领域，仿生微型机器人必将在不远的未来，成为推动科技革命的重要力量。让我们拭目以待，期待这些机械“昆虫”创造更多奇迹。
为人类工作的机器昆虫团队（想象图）（图片来源：AI 合成）
参考文献
[1]Liu, Z., Zhan, W., Liu, X. et al. A wireless controlled robotic insect with ultrafast untethered running speeds. Nat Commun 15, 3815 (2024).
[2]北京航空航天大学新闻网.《Nature Communications》刊发北航闫晓军教授团队在机器昆虫方面的最新研究成果
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来源丨科普中国
作者丨李瑞（全日精英高校联盟）
监制丨中国科普博览
责编丨王梦如
审校丨徐来 林林
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