Streamlined shape of cyborg cockroach promotes traversability in confined environments by gap negotiation

📄 arXiv: 2410.07558v1 📥 PDF

作者: Kazuki Kai, Le Duc Long, Hirotaka Sato

分类: cs.RO

发布日期: 2024-10-10

💡 一句话要点

仿生蟑螂流线型设计提升狭窄环境下的通过性

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 仿生昆虫 机器人 狭窄空间 流线型设计 植入式电路 运动控制 灾难救援

📋 核心要点

  1. 现有仿生昆虫设计通常将电子元件裸露安装在昆虫背部，导致外形不规则，影响在狭窄环境中的运动能力。
  2. 该研究通过植入式电路板设计，优化仿生蟑螂的整体流线型，降低运动阻力，提升狭窄空间通过性。
  3. 实验表明，植入式电路板的仿生蟑螂在狭窄间隙中的通过成功率更高，能够更好地执行运动指令。

📝 摘要（中文）

厘米级的仿生昆虫在人类无法操作的狭窄环境中具有潜在的应用优势。为了实现这些任务，研究人员开发了一种小型印刷电路板（PCB），昆虫可以携带该电路板并被控制。电子元件通常裸露在板上，整个板安装在动物平台上，导致整个仿生体的形态不均匀且边缘锋利。众所周知，人造车辆或机器人中的流线型体形通过减少介质中的阻力来促进有效的运动。然而，关于整个身体形状如何影响仿生昆虫的运动性能知之甚少。本文开发了一种10mm x 10mm的电路板，该电路板通过Sub-GHz通信提供电刺激，并使用马达加斯加发声蟑螂研究了电路板物理排列的影响。我们比较了安装电路板和植入电路板的仿生体之间的间隙通过成功率，发现后者优于前者。我们证明了带有植入电路板的仿生蟑螂可以忠实地遵循通过触角或尾须刺激发出的运动指令，并穿过像通风口盖一样狭窄的间隙。与传统的布置相比，我们的仿生昆虫适用于隐蔽环境中的应用。

🔬 方法详解

问题定义：现有仿生昆虫通常将控制电路板直接安装在昆虫背部，导致整体外形不规则，存在尖锐边缘，增加了在狭窄空间运动时的阻力，降低了通过性。因此，需要设计一种更适合狭窄环境的仿生昆虫形态。

核心思路：通过将控制电路板植入昆虫体内，优化仿生昆虫的整体流线型，减少运动阻力。类似于自然界中流线型生物在水中或空气中运动的原理，该研究旨在通过优化仿生昆虫的外部形态来提高其在狭窄环境中的运动效率。

技术框架：该研究主要包含以下几个步骤：1) 设计小型化的植入式电路板，尺寸为10mm x 10mm，用于控制昆虫的运动；2) 将电路板植入马达加斯加发声蟑螂体内；3) 通过Sub-GHz通信向电路板发送控制指令，刺激昆虫的触角或尾须，控制其运动；4) 比较植入式和背负式电路板的仿生蟑螂在狭窄间隙中的通过成功率。

关键创新：该研究的关键创新在于将控制电路板植入昆虫体内，从而优化了仿生昆虫的整体流线型。与传统的背负式设计相比，植入式设计减少了外部突出物，降低了运动阻力，提高了在狭窄环境中的通过性。此外，该研究还展示了通过触角或尾须刺激来精确控制仿生蟑螂运动的能力。

关键设计：电路板尺寸为10mm x 10mm，采用Sub-GHz通信，以实现远程控制。通过刺激触角或尾须来控制蟑螂的运动方向。实验中，通过比较不同电路板安装方式（植入式 vs. 背负式）的仿生蟑螂在特定宽度间隙中的通过成功率来评估其性能。

📊 实验亮点

实验结果表明，与背负式电路板的仿生蟑螂相比，植入式电路板的仿生蟑螂在狭窄间隙中的通过成功率显著提高。此外，该研究还展示了通过触角或尾须刺激来精确控制仿生蟑螂运动的能力，使其能够按照指令穿过复杂的狭窄环境。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于灾难救援、管道检测、环境监测等领域。仿生蟑螂可以进入人类难以到达的狭窄空间，执行搜索、探测、维修等任务。例如，在地震废墟中搜寻幸存者，在复杂管道系统中检测泄漏，或在污染环境中进行采样分析。未来，通过进一步优化控制算法和传感器集成，仿生昆虫有望在更多领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

The centimeter-scale cyborg insects have a potential advantage for application in narrow environments where humans cannot operate. To realize such tasks, researchers have developed a small printed-circuit-board (PCB) which an insect can carry and control it. The electronic components usually remain bare on the board and the whole board is mounted on platform animals, resulting in uneven morphology of whole cyborg with sharp edges. It is well known that streamlined body shape in artificial vehicles or robots contributes to effective locomotion by reducing drag force in media. However, little is known how the entire body shape impacts on locomotor performance of cyborg insect. Here, we developed a 10 mm by 10 mm board which provided electrical stimulation via Sub-GHz communication and investigated the impact of physical arrangement of the board using Madagascar hissing cockroach. We compared the success rate of gap negotiation between the cyborg with mounted board and implanted board and found the latter outperformed the former. We demonstrated our cyborg cockroach with implanted board could follow faithfully to the locomotion command via antennal or cercal stimulation and traverse a narrow gap like air vent cover. In contrast to the conventional arrangement, our cyborg insects are suitable for application in a concealed environment.