韩国团队突破微型机器人设计瓶颈，0.4克离合器实现多关节控制

今日快讯 2025年10月29日 20:57 0 aa

韩国首尔国立大学的研究团队成功开发出一种革命性的微型旋转静电离合器，彻底改变了昆虫级机器人的设计理念。这种名为mR-ES的离合器直径仅20毫米、重量0.4克，却能实现单个电机对多个关节的独立控制，解决了小型机器人长期面临的功能扩展与体积限制之间的矛盾。该技术使得15厘米长的昆虫级爬行机器人在不显著增加重量的情况下，获得了三自由度双向操控和二自由度结构重构能力，为微型机器人在灾难救援、管道检测和精密操作等领域的应用开辟了新的可能性。

传统的昆虫级机器人设计面临一个根本性挑战：每增加一个执行器都会带来体积和重量的增长，这与机器人小型化和灵活性的需求直接冲突。为了克服这一限制，研究人员尝试了多种方案，包括可重构结构设计和静电吸附技术，但这些方法要么结构复杂，要么存在运动范围受限等问题。首尔国立大学团队的mR-ES离合器通过创新的多层薄片堆叠结构和特殊的切割图案设计，成功实现了在微型尺寸下的高效能量传递和精确控制，为这一领域带来了突破性进展。

技术创新解决微型化核心难题

mR-ES离合器的核心创新在于其独特的结构设计和控制机制。该离合器采用定子和转子分离的结构，通过施加420伏电压使柔性离合器层发生平面外弯曲并相互啮合，实现83.4毫牛·米的锁定扭矩，而功耗仅为2.94毫瓦。断电后，转子可自由旋转，为机器人提供了灵活的动力分配能力。

在开发过程中，研究团队面临两个主要技术挑战。首先是离合器层在小型化过程中运动范围急剧减小的问题。随着尺寸缩小，离合器层的弯曲刚度显著增加，而为了保持性能，层间间隙又必须维持不变。研究团队通过在离合器层上引入特定的切割图案，使结构能够分段弯曲，成功将吸合电压从132伏降低到76.7伏，大幅改善了系统的能效表现。

第二个挑战是旋转过程中的导线缠绕问题。在连续旋转应用中，传统的导线连接方式容易发生缠绕，影响系统的可靠性。研究团队创新性地开发了基于织物清扫层的滑环结构，利用低抗弯刚度的导电织物实现稳定的电荷传输，确保转子在旋转过程中电气连接的可靠性。

麻省理工学院机器人实验室的专家评价认为，这种设计在微型机器人领域具有重要意义，因为它首次在如此小的尺寸下实现了高性能的机械离合功能。与传统的机电离合器相比，mR-ES不仅体积更小、重量更轻，而且响应速度更快，接合时间仅为30毫秒。

系统集成实现多功能操作能力

研究团队将mR-ES离合器成功集成到昆虫级爬行机器人中，展示了其在实际应用中的巨大潜力。该机器人全长15厘米，重量124克，通过智能复合微结构工艺制造，具备多关节独立控制与地形自适应能力。

在机械臂系统中，离合器组与肌腱传动机构协同工作，实现了夹持器的开合、手臂抬升与下降等双向动作。通过在肩、肘及指关节中嵌入多个mR-ES离合器，机器人能够用单个电机驱动实现三自由度的双向操控。集成于各关节的编码器提供实时姿态估计，使机械臂能够在较大工作空间内完成精确的物体抓取任务。

抓握力测试结果显示，配备mR-ES离合器的夹持器在水平与垂直方向上均能稳定抓取与机器人自重相当的物体，这一性能对于执行实际任务至关重要。在复杂的多任务演示中，机器人成功完成了搭乘无人机跨越障碍、为其他机器人更换电池、调整搭载摄像头视角等多种操作。

地形适应性测试进一步验证了系统的实用价值。通过调整腿部的旋前与旋后角度，机器人能够改变地面反作用力的分布，适应不同地形条件。实验数据显示，在柔软地面上，旋后腿配置的移动速度比旋前腿提升7.3%；在湿滑的特氟龙表面上，这一优势更加明显，速度提升达到24%。这种适应性使机器人能够在各种复杂环境中保持稳定的运动性能。

应用前景与技术发展方向

mR-ES离合器技术的成功开发为微型机器人领域带来了新的设计范式。在灾难救援场景中，这种高度集成的小型机器人能够进入传统救援设备无法到达的狭小空间，执行搜索、通信中继和简单物品运送等任务。其多关节独立控制能力使其能够在复杂的废墟环境中灵活操作。

在工业检测领域，该技术同样具有广阔应用前景。管道内部检测一直是工业维护的重点和难点，传统的检测设备往往体积庞大、功能单一。配备mR-ES离合器的微型机器人不仅能够在狭窄管道中自由移动，还能通过机械臂进行简单的维修操作，大大提高了检测和维护的效率。

在生物医学应用方面，这种技术为微创手术机器人的发展提供了新思路。虽然当前的系统尺寸还无法直接应用于体内操作，但其设计理念和控制方法为开发更小尺寸的医用机器人奠定了基础。

尽管前景广阔，研究团队也坦承当前技术仍存在一些局限性。耐久性是需要优先解决的问题，静电离合器层在承受过大外部扭矩时容易发生断裂。此外，嵌入式离合器中细导线与刚性导电环氧树脂粘合界面处的断线问题也需要通过材料优化来解决。

在系统控制方面，当前的机器人尚未实现完全自主化操作。研究团队计划在未来版本中集成带深度传感器的视觉系统，使机器人能够识别目标物体并实现自主接近与抓取。同时，通过在可变形腿部嵌入应变传感器，机器人将能够实时感知地面特性并自动调整至最优运动姿态。

国际机器人联合会最新报告显示，微型机器人市场预计在未来五年内将以年均25%的速度增长，其中多功能集成技术是推动市场发展的关键因素。mR-ES离合器技术的出现恰好契合了这一发展趋势，为相关产业的技术升级提供了重要支撑。

从更广阔的视角来看，这项技术的成功也反映了跨学科融合在推动科技创新中的重要作用。静电学、材料科学、机械工程和控制理论的有机结合，才使得如此复杂的微型系统成为可能。这为其他领域的技术创新提供了有益的借鉴。

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