《北京晚报》报道我校学生的科技成果:履带“蜘蛛侠”垂直爬上爬下

点击数:    |    加入时间:2017-05-19

《北京晚报》2017年5月18日(记者 张航)报道我校学生的科技成果:

能耗不到手机的五十分之一 却能够轻松负重3公斤

履带“蜘蛛侠”垂直爬上爬下

电影《蜘蛛侠》里的主人公彼得·帕克可以让自己的手脚,利用类似静电的原理吸附到任何坚固的表面上,自由穿行于高楼大厦,救人于危难之中。在现实生活中,一部可以在光滑的垂直墙壁上悄无声息、自由运动的机器人也能发挥“蜘蛛侠”的作用,来自北京航空航天大学的两位大学生正在让这样的“蜘蛛侠”变成现实。

他们通过独创的静电吸附薄膜装置产生电场和吸附力,通过机体带动薄膜从而实现机器人的履带式垂直运动。这位机器人“蜘蛛侠”能耗不到手机的五十分之一,却能够轻松负重3公斤的装备,在反恐侦察、建筑清洁探伤等领域应用广泛。在今年的北航第二十七届“冯如杯”竞赛上,该发明获得了科技类项目的一等奖。记者了解到,学生们已经带着机器人投身创业实践,警方也已经对“蜘蛛侠”的应用表达了浓厚的兴趣。

发明“蜘蛛侠”  灵感缘于壁虎

汪海涛、徐绍宸是这部“蜘蛛侠”的发明者。两人都是北航自动化科学与电气工程学院的大三本科生。谈及发明的缘由,汪海涛说这缘于自己小时候对于壁虎的观察。汪海涛是辽宁沈阳人,去沈阳动物园观察各种动物是他从小就有的爱好。在一趟趟的动物园之行中,他对壁虎产生了浓厚的兴趣,“它的每条腿都是一个独立的‘吸盘’,能牢牢攀附住墙面,敏捷、快速地移动,人类要是也有这项技能该多好。”他当时心里想。

2014年汪海涛考入北航,在沙河校区他认识了从北京通州潞河中学毕业的徐绍宸。俩人都在一个名为“自动控制协会”的社团里,并且是“不打不相识”。“大二时协会举办了一场足球机器人比赛,我们都拿着自己的作品参赛,最后他夺冠了,我拿了第三。”徐绍宸笑道。两人虽处一个学院,但术业各有专攻。汪海涛读的是机械电子工程专业,偏弱电方向;徐绍宸读的是电气工程专业,偏强电方向。

促使两人“强强联合”的就是这届“冯如杯”比赛。去年11月份赛事启动,汪海涛马上想到了动物园里那只飞速爬行的小壁虎,想试着做一款利用电吸附技术的爬行机器人。“要让电产生吸引力,必须有足够高的电压,我需要有一位对电场建模、理论分析都比较擅长的小伙伴来一起干。”他想到了徐绍宸。带着这个想法,汪海涛连夜跑去敲开了徐绍宸宿舍的门。

自主制备出    高分子导电材料

听完汪海涛的描述,徐绍宸第一反应是“大胆而又夸张”。他起初并不相信动物世界的奥秘,能够被他们两名本科生轻易地揭示并加以利用。“老师说过,在机电领域,宏观的作用力主要是靠磁力来实现的,比如几乎所有电动机里都有磁铁;靠电场来产生的吸引力只出现在微米级的环境下,并且吸引力非常微弱,这项技术也非常前沿,此前只在航空尖端领域有所应用。”徐绍宸对记者说,他当时并不相信他俩有这个能耐。

到底行不行?不如试一试。去年11月下旬他俩从网上买了一卷可以导电的铝箔,裁剪下A4纸大小的两张,分别通上了4000伏的电压。奇迹发生了,通了电的两张铝箔相隔近1厘米,竟然牢牢吸附在了垂直的纸箱板上。电场产生吸引力,是可以实现的!两人信心大增。

光靠这两片铝箔产生的吸引力来做机器人显然还远远不够。汪海涛和徐绍宸发现,两片铝箔相隔的间距不同,吸附效果大相径庭:距离太近通电后极易短路击穿,太远则吸附力微乎其微。

一定要找到最稳定的通电结构、最佳的电路间距,他们想到了柔性电路板。徐绍宸说,我们日常使用的手机里面的“排线”,就是一种典型的柔性电路板,它的导电稳定性要远远好于铝箔。怎样的电路间距才是最佳?他们进行了长达两个月的反复测试,从去年11月一直到今年1月底,终于发现了7比3的黄金比例——通电线路宽约7毫米,电路之间间隔3毫米,这样能实现最佳的吸附力,同时短路击穿的风险也大大降低。

这张柔性电路板就构成了“蜘蛛侠”的最早履带,将它铺装在机械架构上,通电后吸附在墙面上,整个“蜘蛛侠”最多可以挂住5瓶矿泉水,“在大理石面上吸附效果最好,泥灰墙因为不够平整,效果最差,只能挂住3瓶矿泉水。”汪海涛并不满足,不只是因为吸附能力还不够,还有这种柔性电路板内的电路是由石墨材料制造的,在一些特殊环境下,石墨粉也会析出,漏电导致电路击穿。

在接近成功的时候,他们又开始寻找新的材料。经过反复试验。今年4月份,汪海涛成功地自主制备出一种高分子导电材料。将这种材料涂装后制备出的柔性电路板,既具有超强的稳定性,又具备强大的垂直壁面吸附能力。

一块手机电池   可工作一整天

在刚刚过去的这个周末,记者在北航老主楼的实验室见到了这位履带“蜘蛛侠”。它大小接近三张A4纸,酷似一辆拥有超低底盘的坦克,拖着两根长长的尾巴。“整个底盘就是那张可以通电的薄膜,”徐绍宸边说边把机器人放在了墙壁上,接通电源,机器人立即灵活地向上爬行,记者往下用力拉了几下,都没能阻挡它前进的“脚步”,并且整个运动过程几乎没有听到任何声音。“目前我们设定的运行速度是0.2米/秒,但它的最快移动速度可达每秒1至2米。”徐绍宸介绍。

在制备技术攻坚克难的阶段,徐绍宸对整个电路、设备外观的设计、完善也在有条不紊地进行。他们特意在机器人的“屁股”上加装了那两根如同天线的“尾巴”。徐绍宸说,有了这两根“尾巴”,“蜘蛛侠”负重翻滚所需要的轴距就增加了一倍,这对于增强“蜘蛛侠”在墙面上的平衡能力至关重要。

两人告诉记者,整个机器人的设备能耗仅不到20毫瓦,不到手机的五十分之一,更是传统垂直壁面移动机器人的千分之一。他们还给机器人配置了微型化的锂电池。一块500毫安的电池,可以让机器人持续工作长达6个小时。如果是数千毫安的普通智能手机电池,更可以让机器人持续工作一整天。

凭着这台垂直表面移动机器人,汪海涛、徐绍宸拿到了本届北航“冯如杯”科技竞赛机电控制组的一等奖。在研发过程中他们一共申请了三项专利,分别是机械设计、通电吸附薄膜制备以及制备薄膜的设备,但对于履带“蜘蛛侠”的改进还远远没有停止,他们未来的目标是实现一张A4纸大小的机器人可以负重2千克的装备。

在如今大众创业、万众创新的氛围下,他们也已经带着“蜘蛛侠”开启创业孵化。记者了解到,已经有一些地方的警方部门对于这款静电吸附垂直表面移动机器人表达了浓厚的兴趣,提出可以一起合作,鼓励他们进一步研发。


编辑:贾爱平

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