昆虫机器人在未来能帮助人类干什么?

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昆虫移动、爬行或飞翔。如今,它们也激发了创新,无论是机器人的设计还是显示器的设计都离不开它们。当面对通向食物来源的两条路径时,蚂蚁可能不知道哪一条是最好的,但蚁群可以很快解决这个问题:一只蚂蚁留下一种叫做信息素的化学物质的痕迹,从而标记出从巢穴到食物的路线。随着其他蚂蚁的跟进,信息素会沿着最短路径迅速聚集,以增强气味并引导整个蚁群。蜂群也集中资源选择定居点。数百名“调查人员”着手寻找可能的定居点并反馈意见,而其他“调查人员”则跟进并选择留下,直到选定了一个特定的地点。这种“生死决断”利用了蜂群的集体智慧,换言之,是头脑风暴的产物。在这些昆虫案例的启发下,工程技术人员计划组成一个“小昆虫”机器人团队,共同完成人类那些困难、危险或枯燥的任务。像自然界的昆虫一样,这些机器人系统往往是分散的,单个机器人执行简单的任务,积累集体成果。华盛顿大学的工程师,机械蜈蚣的设计师卡尔·博林格说:“最终,我们必须回到大自然,观察昆虫的行为,它们能做出不可思议的事情”。制造出像蚂蚁那样的机器人

早在上世纪90年代,麻省理工学院的学生詹姆斯·麦克洛金就决定制造模仿蚂蚁行为的机器人。这个大胆的想法源于“无拘无束本科生的疯狂”。他设计的昆虫机器人长约2.5厘米,内置小型电脑、帮助它们避开障碍物的光传感器和两个电机(一个用来移动,另一个用来操作上颚)。早在2019年,作为麻省理工学院的研究生,马鲁金就动员了104个机器人在一座废弃的军事建筑中寻找隐藏的物体。每个机器人通过红外信号与相邻的五六个机器人保持联系。这组机器人不负众望,成功锁定了目标。这些成功的实验让他想到了实际应用,比如地震后寻找幸存者或者探索火星表面。目前,作为莱斯大学多机器人系统实验室的主任,马尔金打算实现这个想法。尽管他的第一个蚂蚁机器人r-one已经有了触角和下颚,但与这些“前辈”不同的是,新模型并没有反映出来自大自然的灵感。相反,它更像一个巨大的冰球。每个机器人由内置锂电池供电,价格约为250美元,比早期的蚂蚁机器人便宜近10倍。麦克洛金希望将大规模搜索、救援或其他艰巨任务的成本降低到100美元。用于救援的机器人2019年,作为哈佛微型机器人实验室的创始人,罗伯特·伍德成为第一个用微型电机驱动翅膀拍打和塑料翅膀的苍蝇大小机器人的人。机器人的身体有钉子大小,由碳纤维制成,重量不到60毫克。同事们敦促伍德建造这样一个“机器人舰队”,并开发“蜜蜂机器人”项目。该项目历时5年,涉及生物、计算机科学、工程技术等多学科。

目前,常用的蜜蜂机器人仍然太大,体重达600毫克,相当于伍德他们开发的个体的10倍重。该图像处理系统模拟真实的蜜蜂图像处理过程,利用低分辨率的“眼睛”拍照,以连续快照的方式将信息传送到蜜蜂机器人的“大脑”。重量小是单个蜜蜂机器人的优点。伍德说,一名消防员口袋里能装1000个机器人,它们重量只有一磅。允许它们飞入或环绕着火的建筑物可以为救援人员提供信息。也许有一天,蜜蜂机器人可以追踪快速变化的事件,如森林火灾、漏油或化学粉尘,或为花朵或农作物授粉——迫切需要的是,真正的蜜蜂种群正因疾病、化学毒素或其他原因而死亡。目前,这种机器人最大的缺点是必须连接外部电源。虽然已经实现了无线化,但自由飞行仍然是当务之急,伍德不想在其他设计元素完善之前“等待完美的电源”。当研究小组的一些成员试图开发轻型动力时,其他人则忙于传感器和制造工艺。”所有这些工作必须同时进行,”工程师们也在设计算法来控制成千上万的蜜蜂机器人的行为,使它们能够执行诸如给植物授粉之类的任务。哈佛博士后学生卡提克·丹徒(Karthik Dantu)说:“我们的设计灵感来自大自然,但以后怎么做还得从工程技术的角度出发。”“白蚁建筑师”尽管白蚁因破坏木结构而臭名昭著,但它们也是大自然的伟大建筑师。一只白蚁不到2.5厘米长,但一群白蚁可以建立一个10米高的土堆巢穴,内部通道错综复杂。同样惊人的事实是,在如此大规模的施工过程中,没有“监督员”。白蚁收集泥浆材料,堆放起来,修补漏洞或空位,在没有任何统一管理的情况下,仍然可以建造如此复杂的建筑。 哈佛大学计算机科学家拉迪卡·纳格普(Radyka NAGP)和她的同事们正在研究人工白蚁,这种白蚁和自然界中真正的白蚁一样,可以建造比自己大得多的建筑物。每个白蚁机器人长约18厘米,宽约10厘米,看上去更像是一个由四轮混合动力驱动的倒置小车。白蚁机器人的夹持装置可以将砖块捡起来,扔到后面,并将砖块堆放在正确的位置。在一只白蚁成功建造了一个10块砖的楼梯后,研究小组计划用三个机器人建造一个约80块砖的楼梯,这个楼梯更像城堡的结构。白蚁机器人不听从指令操作砖块和方向,而是根据编程设定到达特定位置。如果这个位置高于正确的位置,机器人将继续铺砖,直到它可以到达那里,然后再建造楼梯。在整个过程中,每个机器人不需要与其他机器人合作。哈佛大学的机器人专家尼尔斯·纳普(Niels nap)进一步开发了一种改进版的白蚁机器人,它可以堆起几磅重的米袋子——类似于在危险地区(洪水地区、污染环境、水下和外层空间)用沙袋筑坝或建筑。“蜈蚣提重器”尽管两条腿对人类来说已经足够了,但工程技术人员卡尔·博赫林格和他华盛顿大学的同事们想知道有什么装置可以应付512条腿。他们的机械蜈蚣,长度只有2.5厘米多一点,重量不到0.6克,是用类似制造电脑芯片的精加工技术制成的。 为了便于移动,它的腿被设计成三明治那样,在两个绝缘层之间楔入一个导电层。电流脉冲为每秒30次,每个脉冲的峰值交替加热不同的夹层。当加热时,其中一层绝缘层会比另一层膨胀得更快,导致腿部交替弯曲并迅速伸直,这样机器人就可以向前、向后移动,也可以横向移动。速度是这种蜈蚣机器人的一大缺点。目前,它每小时只能移动一米。以这样的速度,绕足球场一圈需要四天多的时间。博克林格计划加快他们的速度。由于这种蜈蚣能携带7倍于自身重量的物体,因此作为一种微负载机器可能是最好的选择。在去掉一些多余的设计后,博林格认为蜈蚣最终可以携带50倍于自身重量的物体,这样就可以用于火星样本采集和其他任务。如果成功,它们的承载能力将与蚂蚁相当——这是现代技术与自然之间实际竞争的罕见例子。小强机器人来袭蟑螂比白蚁更为人类所鄙视。然而,蟑螂具有快速移动的能力,几乎可以在任何地方移动——爬进狭窄的空间,垂直移动或倒置——这使得蟑螂不仅是令人生畏的害虫,而且是机器人专家的一个有吸引力的研究模型。美国加州大学伯克利分校的研究人员日前发布了一款名为dash的6英尺长的自行式、自控式六足体。这种待命蟑螂类似于一个长10厘米、宽5厘米、由六条腿支撑的雪橇。六足的设计可以确保稳定性;当它跑步时,它的腿通过三脚架结构固定在地上。 伯克利大学的研究生保罗·伯克梅尔(paulberkmayer)是dash原型的设计者,后来又为蟑螂形状的机器人添加了爪子。改进后的机器人简称class。它有交替的脚,所以它几乎可以垂直地攀爬一系列光滑或粗糙的表面,如墙壁、沙发和窗帘。另一名研究生凯文·彼得森(Kevin Peterson)增加了电动翅膀和尾巴,使机器人速度更快,速度已超过每秒1.2米。这种改进型机器人还可以爬陡坡,并在坠落时保持直立。彼得森从不同的高度投掷“短跑+翅膀”,它几乎总是安全着陆。展望未来,伯克利团队将为这些辛勤工作的昆虫机器人开发应用程序“我们可以把它们送到危险或根本不适合人类居住的地方”机器人可以负责搜索炸药、检查管道泄漏和测量桥梁,彼得森说,蟑螂无处不在,我们不希望他们“现在,工程师们正在扭转局面,开始开发生物机器人去人们不想去的地方。

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