自律型微型宠物机器人的完整技术文档。生物机械架构、先进材料、被动行走运动学以及工程概念图。
Max 是一款 12 厘米高的自律型微型宠物机器人,外形呈圆润矮胖的橄榄绿有机生物状,拥有一双大而圆的黑色眼睛和两根弯曲的细天线。在硅胶皮肤下方,隐藏着 3D 打印的内骨格、镍钛诺 (Nitinol) 人工肌肉以及云端协作头脑。
驼背姿态、被动摆动步态、面部微表情。每一个动作都旨在展现自然与生命感,而非机械冷板。
板载的 ESP32-S3 芯片处理本地传感与反射,复杂的神经网络推理通过 Wi-Fi 卸载至云端服务器——采用“共生主机”架构。
完全不使用任何齿轮电机。所有运动均由人工肌肉(镍钛诺、LCE)与超声波压电电机产生,运行机械噪音为零。
在遭遇危险或压力超过 45N 时,ER 流体瞬间固化以锁死关节,随后肌肉松弛,Max 会“瘫软倒下”——模拟自然界的装死行为。
锂-硫 (Li-S) 1200 mAh 电池 rechargeable par induction Qi. Max revient instinctivement vers son « nid » de recharge quand l'énergie est basse.
硅胶皮肤内的 16 个电极使全身触摸检测的分辨率达到 2-3 毫米。Max 能“感觉”到它在被抚摸。
由 AI 生成的六幅技术插图,从工程图纸到电影级肖像,覆盖了 Max 的每一个角度。
内骨骼、镍钛诺肌肉、电池、ESP32-S3
球头关节、镍钛诺、迪尼玛腱、MEP——专利图风格
70°C 至 25°C 热梯度:肌肉 → 铜网 → 天线
驼背姿态、钨质摆锤、压电电机
6 大子组件:头部、颈部、体干、骨盘、双腿
活灵活现的 Max:CMOS 摄像头双眼、活动天线、琥珀色皮肤
钛合金头骨、25微米连动可动眼、h-BN 螺旋颈部
欠驱动 3 指手部、迪尼玛腱、50微米镍钛诺肌肉
压电凸轮、旋转电机、15克钨摆、硅胶腿
驼背 PLA 骨架、钛头骨、镍钛诺肌肉和 h-BN 套管
在圆润橄榄绿的生物外观之下,Max 采用同心分层架构,从核心的刚性内骨架一直延伸到表面的触觉皮肤。
Max 采用混合动力架构,融合了 6 种不同的驱动技术,每种技术均针对特定的运动形式进行了优化。
| 驱动技术 | Force | 速度 | 静音性 | 能效 | 质量 | 产热 | Max 实际应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nitinol SMA (50µm) | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★☆☆☆☆ | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ | 主要运动肌肉 |
| SMA Bimorph (10mg) | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | 面部微表情 |
| LCE (Élastomère LC) | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | 胸腔疑似呼吸 |
| MSMA (Magnétique) | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | 天线偏摆 (>50 Hz) |
| DEA (Diélectrique) | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ | 表皮微颤 |
| Piézo Rotatif | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | 步行主电机 |
| Fluide ER | N/A (blocage) | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | PAD 应急锁死 |
充填了六方氮化硼 (h-BN) 的硅胶是替代高风险 LMPE 的绝佳现实方案。作为电绝缘体(短路风险为零)且化学惰性(不腐蚀铜),它提供 1.5 至 3 W/m·K 的优异导热系数。
Max 结合偏心凸轮产生的骨盆横摆以及倒立摆物理模型实现步行。这是一种受人类行走启发的超低能效系统。
双腿在重力作用下自然摆动。其 2.66 Hz 的固有频率完全由腿长 (35mm) 和重力加速度决定。
超声波压电电机驱动不锈钢偏心轴(3mm 偏心量),将能量传递至钨摆以产生步行所需的骨盆横摆。
计算结果显示,步行的运输效率系数 (能量消耗系数 (CoT)) 仅为 0.1,比绝大多数现有双足步行机器人的能效都要高得多。
Max 的大脑是一片 ESP32-S3,通过 CM824 驱动器控制肌肉,通过 I²C 和 SPI 读取传感器,并使用 Wi-Fi 与主机端进行同步。
graph LR
subgraph Power["⚡ 电源管理"]
BAT["🔋 Li-S 3.7V"]
DCDC["DC-DC 5V"]
LDO["LDO 3.3V"]
end
subgraph Brain["🧠 控制大脑"]
ESP["ESP32-S3"]
CM824["CM824 Driver"]
end
subgraph Sensors["👁️ 传感器组"]
CAM["CMOS 摄像头 ×2"]
MIC["MEMS 麦克风 ×2"]
IMU["6轴IMU惯导"]
EIT["16电极 EIT"]
TOF["VL53L0X ToF"]
end
subgraph Actuators["💪 驱动部件"]
NECK["颈部 SMA 丝 ×4"]
HIP["髋部 SMA 丝 ×4"]
FACE["面部 SMA 丝 ×6"]
PIEZO["旋转式压电"]
ER["ER 智能流体 ×2"]
MEP["MEP ×2"]
end
BAT --> DCDC --> LDO --> ESP
BAT --> CM824
ESP -->|"I²C"| IMU
ESP -->|"I²C"| EIT
ESP -->|"I²C"| TOF
ESP -->|"SPI"| CAM
ESP -->|"ADC"| MIC
ESP -->|"SMA_CTRL"| CM824
CM824 --> NECK
CM824 --> HIP
CM824 --> FACE
ESP -->|"GPIO"| PIEZO
ESP -->|"GPIO"| ER
ESP -->|"GPIO"| MEP
| 通道 | 控制功能 | 线径材料 | 所在部位 |
|---|---|---|---|
| CH1 | 颈部 — 前方弯曲 | Nitinol 50µm | 颈部 |
| CH2 | 颈部 — 后方伸展 | Nitinol 50µm | 颈部 |
| CH3 | 左髋 — 弯曲 | Nitinol 75µm | 左腿 |
| CH4 | 左髋 — 伸展 | Nitinol 75µm | 左腿 |
| CH5 | 右髋 — 弯曲 | Nitinol 75µm | 右腿 |
| CH6 | 右髋 — 伸展 | Nitinol 75µm | 右腿 |
| CH7 | 面部 — 表情 A | SMA Bimorph | 头部 |
| CH8 | 面部 — 表情 B | SMA Bimorph | 头部 |
镍钛诺肌肉的焦耳热易积聚在隔热的硅胶皮肤下。多层热管理系统从内部开始导热,将热量导出至头顶天线散发。
graph LR
A["🔥 Nitinol 70°C"] -->|"Contact"| B["🟢 Gaine Silicone/h-BN"]
B -->|"Conduction"| C["🟠 Tresses Cuivre"]
C -->|"Conduction"| D["⚪ Crâne Titane"]
D -->|"Caloducs"| E["🔵 天线偏摆 Méthanol 25°C"]
F["💨 Canaux Ventilation"] -->|"Convection"| C
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style B fill:#338833,stroke:#44aa44,color:#fff
style C fill:#cc8833,stroke:#ddaa44,color:#fff
style D fill:#888888,stroke:#aaaaaa,color:#fff
style E fill:#3366cc,stroke:#4488ee,color:#fff
style F fill:#33aacc,stroke:#44ccee,color:#fff
Batterie Lithium-Soufre haute densité avec recharge par induction Qi. Trois scénarios d'utilisation pour une autonomie de 3.4 à 24 heures.
V1 原型机按照由内到外的顺序分 12 步构建,从 3D 打印的主体骨架开始,到刷入核心固件结束。
FDM 熔融堆积打印驼背脊椎、头骨基座以及脚骨。~5g 的原料耗材。
安装首尾端的黄铜球头关节(颈部、髋部)以及骨盆的偏心凸轮。
将 1200 mAh 电池芯固定至骨盆空腔内钨摆的上侧。
连接 DC-DC 升压器、3.3V LDO 和 Qi 接收线圈,测量测试点工作电压是否正常。
将主控模组贴合到柔性 PCB (Flex PCB) 上,放置在钛合金头盖骨的空腔内。
将驱动器 8 通道的输出引脚焊接至端子,准备铺设镍钛诺丝。
沿骨架布置颈部 (50µm) 及髋部 (75µm) 镍钛诺丝,并将其套入 h-BN 导热套管。
装配被动复位弹性拉线及髋关节固定锁死用的微型电永久磁铁 (MEP) 离合器。
将皮下导热铜网从各肌肉产热区平铺拉伸至头部钛骨(散热汇)。
装配 CMOS 摄像头、MEMS 麦克风、IMU、ToF 测距仪以及 16 个 EIT 环形触觉极板。
使用特制凹模,将添加了橄榄绿染料的 Ecoflex 00-30 灌注到机器人外层。硫化固化时间:4小时。
通过板载 USB-C 上传固件,标定惯导零偏、EIT 触觉阈值以及 CM824 的无感电阻阻抗反馈曲线。
V1 原型机组装所需的全部 57 个部件清单、质量参数、预计采购单价及推荐供应商。
| 部件名称 | 数量 | 质量 | Prix | 供应商 |
|---|---|---|---|---|
| ⚡ 电子与控制主板 | ||||
| ESP32-S3-WROOM-1 (N8R8) | 1 | 1.5g | 4.50€ | Espressif / Mouser |
| CML CM824 SMA Driver (8ch) | 1 | 0.3g | 12.00€ | Cambridge Mechatronics |
| MPU-6050 6轴IMU惯导 | 1 | 0.1g | 2.50€ | InvenSense |
| AD5933 Impedance (EIT) | 1 | 0.1g | 8.00€ | Analog Devices |
| VL53L0X Time-of-Flight | 1 | 0.1g | 3.50€ | STMicroelectronics |
| TPS61200 DC-DC Boost | 1 | 0.2g | 2.00€ | Texas Instruments |
| MCP1700 LDO 3.3V | 1 | 0.1g | 0.50€ | Microchip |
| 定制 4 层柔性 PCB | 1 | 0.8g | 15.00€ | JLCPCB Flex |
| 👁️ 传感器组 | ||||
| OV2640 Micro-Caméra CMOS | 2 | 0.6g | 6.00€ | OmniVision |
| ICS-43434 Micro MEMS | 2 | 0.1g | 4.00€ | TDK InvenSense |
| EIT 电极 (柔性铜) | 16 | 0.32g | 1.60€ | Custom PCB |
| 💪 驱动部件 | ||||
| 线径材料 Nitinol Flexinol 50µm (1m) | 2 | 0.2g | 16.00€ | Dynalloy |
| 线径材料 Nitinol Flexinol 75µm (1m) | 1 | 0.3g | 10.00€ | Dynalloy |
| SMA Bimorph 10mg (custom) | 6 | 0.06g | 30.00€ | Lab-fabricated |
| Moteur piézo rotatif | 1 | 1.2g | 45.00€ | PCBMotor ApS |
| MEP Micro-Embrayage | 2 | 1.0g | 30.00€ | Custom (NdFeB+AlNiCo) |
| 🦴 机械结构件 | ||||
| Crâne Titane (DMLS) | 1 | 3.0g | 80.00€ | Shapeways |
| PLA/PETG 内骨架 | 1 | 5.0g | 2.00€ | 本地 3D 打印 |
| 钨摆锤 ø16mm | 1 | 15.0g | 12.00€ | Midwest Tungsten |
| 偏心凸轮 (不锈钢) | 1 | 1.0g | 5.00€ | Usinage CNC |
| 关节球头关节 (黄铜) | 5 | 2.0g | 10.00€ | MicroFasteners |
| 🧤 柔软材料 | ||||
| Silicone RTV Ecoflex 00-30 | 1 | 18.0g | 15.00€ | Smooth-On |
| 线径材料 Dyneema 0.1mm (5m) | 1 | 0.2g | 5.00€ | Beadsmith |
| 导热铜网编织线 0.5mm (2m) | 1 | 2.0g | 3.00€ | Électronique |
| 六方氮化硼粉末 (h-BN) | 1 | 1.5g | 12.00€ | DIY (RTV 硅胶 + h-BN 混合) |
| 🔋 能效 | ||||
| Batterie Li-S 1200mAh | 1 | 8.0g | 35.00€ | Oxis Energy |
| ø20mm Qi 无线受电线圈 | 1 | 1.5g | 4.00€ | Wurth Elektronik |
| 🌡️ 导热散热组件 | ||||
| Heat-pipe méthanol ø2mm 30mm | 2 | 1.6g | 16.00€ | Celsia |
| TOTAL | 57 | 65.8g | 389.60€ | 质量预算:上限80g → 剩余裕度14.2g ✅ |
「chimera_analyst.py v2」脚本的输出总结,包括温度热量平衡、续航、步态周期和重量预算的比率。
线径材料 Nitinol 50µm, courant 0.4A, impulsion 50ms @ 2Hz
倒立摆模型,腿长35mm,总质量80g
按类别占比分布
交互式结构图,涵盖内部解剖结构、髋关节张拉整体结构以及模块化分解图。
graph TD
subgraph Head["🧠 头部"]
A["Yeux CMOS ×2"]
B["MEMS 麦克风 ×2"]
C["ESP32-S3 + CM824"]
D["天线偏摆 Caloducs"]
end
subgraph Neck["🦴 颈部"]
E["Rotule Atlanto-Occipitale"]
F["Nitinol 50µm ×4"]
end
subgraph Torso["🫁 Tronc"]
G["Endosquelette Cyphose"]
H["Tresses Cuivre"]
I["Ventilation Passive"]
end
subgraph Pelvis["⚖️ Bassin"]
J["Came Excentrique"]
K["Pendule Tungstène 15g"]
L["Batterie Li-S"]
M["Bobine Qi"]
end
subgraph Legs["🦿 Membres"]
N["Hanches Coxofémorales"]
O["Dyneema + MEP"]
P["Pieds Incurvés"]
Q["Peau Graphène"]
end
C -->|"PWM"| F
C -->|"Moteur"| J
J -->|"Came"| K
K -->|"Bascule CG"| P
Q -->|"Tactile"| C
H -->|"Thermique"| D
graph TD
subgraph M1["Module 1 : 头部"]
M1A["Crâne Titane"]
M1B["天线偏摆 ×2"]
M1C["ESP32-S3"]
M1D["CM824"]
end
subgraph M2["Module 2 : 颈部"]
M2A["Rotule"]
M2B["Nitinol ×4"]
M2C["Gaine h-BN"]
end
subgraph M3["模块 3:体干"]
M3A["Squelette PLA"]
M3B["Cuivre"]
M3C["LCE ×2"]
M3D["EIT"]
end
subgraph M4["模块 4:骨盆"]
M4A["Piézo + Came"]
M4B["Tungstène"]
M4C["Li-S + Qi"]
end
subgraph M5["Module 5 : 左腿"]
M5A["Hanche"]
M5B["Nitinol 75µm"]
M5C["ER Genou"]
end
subgraph M6["Module 6 : 右腿"]
M6A["Hanche"]
M6B["Nitinol 75µm"]
M6C["ER Genou"]
end
M1 ---|"Rotule + I²C"| M2
M2 ---|"Colonne + PWM"| M3
M3 ---|"Bassin + Power"| M4
M4 ---|"Hanche G"| M5
M4 ---|"Hanche D"| M6
style M1 fill:#E8F0FE,stroke:#4285F4,color:#1C1612
style M2 fill:#E6F4EA,stroke:#34A853,color:#1C1612
style M3 fill:#FCE8E6,stroke:#EA4335,color:#1C1612
style M4 fill:#FEF7E0,stroke:#FBBC04,color:#1C1612
style M5 fill:#F3E8FD,stroke:#AB47BC,color:#1C1612
style M6 fill:#F3E8FD,stroke:#AB47BC,color:#1C1612