『臺博新知』：可壓縮鑽縫的仿生蟑螂機器人CRAM

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝／國立臺灣博物館

俗稱美國蟑螂的美洲家蠊（Periplaneta americana）屬於蜚蠊目（Blattaria或Blattodea）蜚蠊科（Blattidae），又名美洲大蠊、美洲蟑螂，體長約3-5公分，體高約1.2公分，可將身體壓縮至一半，在不到一秒鐘內穿過小於0.3公分（相當於四分之一身體高度）的水平縫隙；一旦進入垂直狹窄空間，蟑螂會使用身體摩擦腿爬行模式（body-friction legged crawling），以肢體的摩擦力及腿的強大推力拖動身體，以每秒向前爬20倍體長（64公分）的距離快速移動；將其放入只有0.4公分高（相當於三分之一身體高度）的窄縫爬行時，仍能展現每秒移動15公分距離的驚人速度。當遭遇體重300倍的壓力時仍能移動自如，甚至承受將近900倍壓力也毫髮無損。因此未來若因地震、颱風、龍捲風等天災，或是戰爭、爆炸等人為災害造成建築物倒塌時，受困者的救星或許就是一隻機器蟑螂。

仿生美洲家蠊的蟑螂機器人CRAM能夠壓縮鑽縫快速移動（繪製者：王美乃）。

美國加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）福爾（Robert J. Full）教授的研究團隊模仿蟑螂穿越裂縫、於封閉空間爬行、和移動時對動態壓縮力（dynamic compressive forces）的反應，製造出一款遭遇強力擠壓仍可敏捷穿越瓦礫和狹小空間的仿生機器蟑螂「有關節可壓縮機器人」（compressible robot with articulated mechanisms，簡稱CRAM）。25年前福爾教授就發現美洲家蠊屬於高度動態運行的昆蟲，可只用兩足跑動，並創下每秒約跑5英呎（152.4公分）或50倍體長距離的金氏世界紀錄，具有堅韌且延展性佳的外骨骼，不僅能有效保護軀體，同時也保有壓縮漲大的彈性，體壁是由柔軟薄膜連結的多片硬殼層疊組成，能隨環境變化形狀，在遠低於己身高度的縫隙中還能生存且活動自如，可爬上牆壁、沿著天花板、潛藏在牆縫邊或窗檯下快速爬行。

美洲家蠊（Periplaneta americana）在承受體重300倍壓力下仍能自由行動，並可壓縮身體在0.4公分高窄縫中以每秒15公分的速度爬行（圖片來源：歐陽盛芝）。

CRAM使用智能複合微結構（smart composite microstructure，簡稱SCM）製造方法，以雷射切割、層壓和折疊外骨骼，重46公克，長、高18 ×7.5公分，比真正的美洲家蠊大，約為成人手掌尺寸，爬行速度每秒27公分（相當於1.5倍體長距離），具有拱狀彈性背部構造和六條能往身體外側延伸的足，當受到外力擠壓時，可將身體壓扁至垂直壓縮比率超過50%的3.5公分高，還能以每秒達14公分距離的高速移動，被重壓後能再回彈復原，可應用於深入瓦礫細縫處、鑽過裂縫，在狹窄的空間迅速爬行，加裝上探測裝置後，有助於加快搜尋受困者的速度，具備傳統硬式機器人的行動速度與爆發力，也有軟機器人的彈性和韌性，2016年2月已於《國家科學院期刊》（Proceedings of National Academy of Sciences，簡稱PNAS）發表，製作成本不到一百美元，若再安裝感應器和攝影鏡頭、麥克風等其他配備後量產，預估每個成本可降到十美元內，美國陸軍已資助部分研發經費，可望成為非常高效的搜索救援機器人。

這款仿生機器蟑螂機體由25.4μm厚的聚酯板及海報板複合壓製而成，背板使用127μm的聚酯板構成低摩擦可變形的殼體，具弧度的外殼由富彈性、可變形的塑膠片連接組成，與機體構造緊密結合；背部的拱狀結構外殼摩擦力低，能承受重壓後迅速彈回復原，經測試可承受約1公斤（大於20倍體重）的最大壓力，層壓構成的腹板結構可抵消衝擊和碰撞。

6條L形足以3D列印，當站立與伸展時可與地面保持良好接觸。驅動機制包括3D列印齒輪的兩個小型直流馬達，可獨立操作控制CRAM機器人的左側和右側，並藉藍芽4.0及市售電路板控制機器人的動力。當被重壓或穿過縫隙時，L形足能外翻向兩側攤平，足可隨著下壓的機體順勢旋轉高達90度，藉此讓機體在壓扁狀態下持續前進，爬行角（sprawl angle）可由50度延展至81度，輕鬆鑽進只有自身體積一半的縫隙，最大垂直壓縮比是54%（7.5-3.5公分），在3.5公分高的縫隙間仍能向前爬行，最大步幅頻率為25Hz，平均步幅長度在不受約束時為1.1公分，但機體被壓縮時約減為0.6公分。

日後研究團隊將繼續升級CRAM足的設計，改善前進速度、提高能量效率，以及增加轉動、攀登和跳躍等新功能，使其成為一款高效的搜救、環境監測，或軍事偵察幫手。未來災害發生時，也許只要拋出一群機器蟑螂，就可鑽入毀損倒塌建築物或廢墟的裂縫、通風口、和管道等處，偵測和定位受困者或評估測繪安全入口，絕對是瓦礫堆下的最強搜救隊。

（以上新聞編譯自2016年2月8日發行之PNAS期刊）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

日期：2017/1/26

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：可壓縮鑽縫的仿生蟑螂機器人CRAM

資料來源：

Jayarama, K. and R. J. Full. 2016. Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot. PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), 113(8): E950-E957 (+7pp. Supporting information) (doi: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1514591113).

延伸學習：

Hoover, A. M. and R. S. Fearing. 2008. Fast scale prototyping for folded millirobots. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2008, 886-892.

Plaugic L. 2016. This robot cockroach could eventually help search-and-rescue teams. The Verge / Science, February 8, 2016.

Sanders, R. 2016. Cockroach inspires robot that squeezes through cracks. UC Berkeley / Berkeley News, February 8, 2016.