來戰(zhàn)！超能陸戰(zhàn)隊中的微型機(jī)器人現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)，3D打印多肢蜂群機(jī)器人可輕松跨越障礙物

導(dǎo)讀：在動漫《超能陸戰(zhàn)隊》中，熱愛發(fā)明創(chuàng)造的天才少年小宏，曾發(fā)明了一種神奇的微型磁力機(jī)器人，它可以按照操作者的指令集體行動、隨意變換成各種形狀。但你恐怕想不到，現(xiàn)實(shí)中正在有科學(xué)家把它一步步變成現(xiàn)實(shí)。

△《超能陸戰(zhàn)隊中》的微型機(jī)器人

2021年10月19日，南極熊獲悉，來自圣母大學(xué)的研究人員已經(jīng)成功地3D打印出了一種四條腿的蜂群機(jī)器人，它能夠穿越復(fù)雜的地形并克服行進(jìn)路徑上的障礙。一直以來，圣母大學(xué)的機(jī)器人工程師和電子工程助理教授Yasemin Ozkan-Aydin都在嘗試使用機(jī)器人模仿螞蟻、蜜蜂和鳥類的集體行為來解決問題。

這項(xiàng)研究探討了在單個機(jī)器人之間如何建立物理聯(lián)系，并能夠提高陸地腿部集體系統(tǒng)的機(jī)動性和能力。例如，如果一個機(jī)器人遇到了他們無法克服的障礙，其他機(jī)器人就會聚集在一起集體解決這個問題。

她說："腿型機(jī)器人可以在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中前行，如粗糙的地形和狹小的空間，四肢的使用提供了有效的身體支持，實(shí)現(xiàn)了快速機(jī)動性，有利于跨越障礙。然而，腿型機(jī)器人在陸地環(huán)境中面臨獨(dú)特的移動性挑戰(zhàn)，這導(dǎo)致運(yùn)動性能下降�！�

△3D打印的四腳蜂群機(jī)器人。圖片來自圣母大學(xué)。

受自然啟發(fā)的蜂群機(jī)器人

研究人員越來越多地從自然界及其生物群的行為中獲得靈感，以開發(fā)用于各種應(yīng)用的空中和水下機(jī)器人技術(shù)。然而，開發(fā)這種具有穿越復(fù)雜地形和克服障礙能力的機(jī)器人具有挑戰(zhàn)性。

特別是，一些研究人員試圖繪制和模仿動物王國中那些自組織集體的行為，如蟻群、鳥群和魚群。盡管是試圖復(fù)制這種自然集體智慧，但他們的蜂群機(jī)器人往往是遙控的或GPS引導(dǎo)的，而不是自組織的。

早在2014年，作為CoCoRo（集體認(rèn)知機(jī)器人）項(xiàng)目的一部分，3D打印被用于創(chuàng)建海洋環(huán)境的蜂群機(jī)器人。該項(xiàng)目有五所歐洲大學(xué)參與，最終產(chǎn)生了40個3D打印的迷你潛艇機(jī)器人，它們可以一起工作，執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。

最近，哈佛大學(xué)的一個研究小組在這一領(lǐng)域又向前邁進(jìn)了一步，他們成功地3D打印了一群軟體機(jī)器人魚，能夠在沒有Wi-Fi或GPS的幫助下以復(fù)雜的模式游泳。這些機(jī)器人的自行組織的能力，可以使它們被部署在人類無法進(jìn)入的海洋環(huán)境中進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測。

目前，地面機(jī)器人群僅限于相對簡單的環(huán)境，Ozkan-Aydin說這部分是由于缺乏運(yùn)動能力來處理困難地形。因此，在2020年初，她開始進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，以復(fù)制動物群落和羊群的自組織行為，以提高蜂群機(jī)器人的能力。

△哈佛大學(xué)的科學(xué)家們制造的仿生魚型機(jī)器人具有攝像頭和藍(lán)色LED，幫助它們在水下導(dǎo)航。照片來自自組織系統(tǒng)研究小組。

3D打印蜂群機(jī)器人

Ozkan-Aydin的研究基于這樣一個前提：單個機(jī)器人之間的物理連接可以提高整個系統(tǒng)的機(jī)動性和能力。從本質(zhì)上講，如果一項(xiàng)特定的任務(wù)超出了單個機(jī)器人的能力，如搬運(yùn)物體，機(jī)器人將相互進(jìn)行物理連接，形成一個更大的多腿系統(tǒng)，共同承擔(dān)重量。

Ozkan-Aydin解釋說："當(dāng)螞蟻收集或運(yùn)輸物體時，如果一個螞蟻遇到了障礙物，那么這個群體就會集體工作來克服這個障礙。例如，如果路徑上有一個缺口，它們會形成一座橋，這樣其他螞蟻就可以走過去--這就是這項(xiàng)研究的靈感所在。通過機(jī)器人技術(shù)，我們能夠更好地了解這些生物系統(tǒng)的動態(tài)和集體行為，并探索我們在未來如何能夠使用這種技術(shù)。"

為了創(chuàng)建她的機(jī)器人群，Ozkan-Aydin使用一臺3D打印機(jī)來生產(chǎn)低成本的四腳機(jī)器人，長度在15到20厘米之間。每個機(jī)器人都配備了一個鋰聚合物電池、一個微控制器和三個傳感器。除了前面的光傳感器外，每個機(jī)器人的前面和后面都有兩個磁性觸摸傳感器，以使它們能夠連接到蜂群中的其他人。

據(jù)Ozkan-Aydin說，每個機(jī)器人都是用3D打印的，有四條靈活的腿，這使機(jī)器人具有一定程度的 "機(jī)械智能"，減少了對額外傳感器的需求。

她說："你不需要額外的傳感器來檢測障礙物，因?yàn)橥炔康撵`活性可以幫助機(jī)器人直接越過它們。它們可以測試路徑中的空隙，用它們的身體搭建橋梁；單獨(dú)移動物體；或者在不同類型的環(huán)境中連接起來集體移動物體。"

蜂群機(jī)器人的測試

在3D打印每個機(jī)器人后，Ozkan-Aydin測試了機(jī)器人在草地、地膜和長毛地毯等地形上的能力，以及克服樹葉和橡子等障礙的能力。她在刨花板上測試了機(jī)器人在平地上的能力，還用絕緣泡沫和木塊建造了樓梯，作為粗糙的地形進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)一個單獨(dú)的機(jī)器人卡在一個障礙物上時，一個信號被發(fā)送到機(jī)器人群中的其他機(jī)器人。然后，它們通過磁性觸摸傳感器聯(lián)系在一起，提供支持，并成功克服障礙物或有關(guān)地形。

雖然Ozkan-Aydin承認(rèn)她的機(jī)器人群設(shè)計還有待改進(jìn)，但她相信這項(xiàng)研究將有助于為低成本腿型機(jī)器人群的設(shè)計提供信息，使其能夠適應(yīng)未預(yù)見的情況。她預(yù)計，她的研究將有助于開發(fā)能夠執(zhí)行現(xiàn)實(shí)世界任務(wù)的蜂群機(jī)器人，如搜索和救援行動、運(yùn)輸物體、環(huán)境監(jiān)測，甚至太空探索。

今后，Ozkay-Aydin將通過進(jìn)一步探索螞蟻和白蟻等昆蟲的集體動力學(xué)，把研究重點(diǎn)放在改善蜂群機(jī)器人系統(tǒng)的控制、感應(yīng)和動力能力上。在改進(jìn)機(jī)器人內(nèi)部的電池技術(shù)的同時，未來的工作將著眼于納入更多的傳感器和更強(qiáng)大的電機(jī)，同時保持其小尺寸。

她說："對于功能性蜂群系統(tǒng)，電池技術(shù)需要改進(jìn)。我們需要能夠提供更多能量的小型電池，最好能持續(xù)10小時以上。否則，在現(xiàn)實(shí)世界中使用這種類型的系統(tǒng)是不可持續(xù)的。你需要考慮機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中如何運(yùn)作，所以你需要考慮需要多少電力，你使用的電池的大小。一切都很有限，所以你需要對機(jī)器的每個部分做出決定"。

關(guān)于這項(xiàng)研究的進(jìn)一步信息可以在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上發(fā)表的題為："Self-reconfigurablemultilegged robot swarms collectively accomplish challenging terradynamic tasks"的論文中找到。這項(xiàng)研究是由Y. Ozkan-Aydin和D. Goldman共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf1628