飞行、潜水和游泳? 新型蜜蜂机器人“升级换代”

2017-11-10 08:40:00 北青网-北京青年报 分享
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  关键词:智能机器人

  大约2000多万年前,地球迎来晚第三纪,步入了“现代生物时代”。这期间,各类生物蓬勃发展,哺乳动物、鸟类、被子植物以及真骨鱼类的出现,让生物界呈现出与中生代截然不同的面貌。地质考察表明,蜜蜂也在此时出现,作为生态平衡的重要参与者,早在15000年以前,它就与人类生活产生了密切联系。而今,科学家们更是模仿蜜蜂,创造了一款身怀绝技的蜜蜂机器人!

  研究者对初代机器人进行改造,推出了新款蜜蜂机器人

  据哈佛大学工程与应用科学学院官方网站报道,该校的约翰·A·保尔森工程学院与威斯生物工程研究所的科学家们共同合作,研发出名为“蜜蜂机器人”的最新混合型机器人。该研究项目由美国国家科学基金会和哈佛大学威斯生物工程研究所共同支持,相关研究论文已发表于外刊杂志《科学机器人》上。

  自2003年开始,蜜蜂就进入了研究者的视野。它们是勤恳的“劳动者”,体型娇小,飞行敏捷,在采食花粉、酿造花蜜之余,还能保持内部组织井然有序。一个地区,缺少了蜜蜂,植物授粉就会受到影响。科学家们认为,若能模仿蜜蜂,制作出微型仿生机器人,既能替代蜜蜂的工作,又能配备其他强大功能,将会为人类的未来生活带来极大便利。

  于是,在2012年年末,哈佛大学的研究人员共推出20种蜜蜂机器人原型。它们虽然外形各异,但基本都有超薄的“翅膀”和超强的微动力系统。2013年发表于《自然》杂志上的论文表明,经过十年研发,人们终于迎来了体重仅80毫克的第一代“蜜蜂机器人”。尽管在飞行性能上还有诸多需要改善的地方,但它基本实现了科学界的最初预期。

  今年,研究者对初代机器人进行改造,推出了新款蜜蜂机器人。研究者称,新款机器人属于混合型机器人,它不仅飞行技能一流,还能自如黏附在墙壁上。更令人意想不到的是,它还能听从指挥,进入水中,或潜水,或游泳,最后返回水面,安全着陆。论文表明,新一代蜜蜂机器人的重量要比任何一款水陆两用机器人轻1000倍,适应多种用途,还能从事搜救行动、环境监测和辅助生物研究等。

  哈佛蜜蜂机器人将进化方向调整为水下

  相比如同一根火柴棒的第一代蜜蜂机器人,今年的升级版本体型更大,整体色调也从原先的银黑色改为黄黑色。重量为175毫克,是过去的两倍。底部依然保持了“四足鼎立”的设计,但机身已修改为长方体盒子形状,顶部也不再单有两只透明翅膀,而是增添了四个方向上的感应支架。这让它看上去更像一架微型无人机,而非简单的仿生机器人。

  由于无人机量产已经实现,会飞的小机器人在大众看来并不是什么新鲜事,所以哈佛蜜蜂机器人将进化方向调整为水下,从最初贴在水面上不动,到如今能潜入水中游泳。

  千万别小看水的力量,对人类而言,离开水是件很容易的事,但对于像昆虫这类体型微小的生物来说,却是个挑战。新款蜜蜂机器人比一美分硬币轻14倍,这样的尺寸条件下,水的表面张力是机器人自身重量的10倍,是机器人起飞所需提升力的3倍,简直是超强引力!哈佛大学工程学教授罗伯特·伍德表示,想象一下你在浴缸内洗澡,全身浸入水中,再从水底起身的那种感觉,水带来的表面张力就像是一堵无法穿越的墙壁。

  为了解决这个问题,研究者对四腿机器人进行了大改造,尤其是在浮动装置上,为它配备了微型可燃火箭,能够在瞬间提供打破水表张力的爆发性动力。伊丽莎白·赫尔布林是哈佛微型机器人实验室的研究生和发表论文的合作者,他介绍称,机身的长方形盒子就是一个中央集气室。一旦机器人游到水面附近,室内就会点燃火花,电解板开始将水变为可燃性的氢氧混合气体。

  从体型上不难看出,蜜蜂机器人本身的载荷能力有限,无法携带运动所需燃料,所以研究者们不得不找出一个创造性解决方案,比如从环境中寻找可利用资源。由此,研究者联想到火箭发射所需的氢和氧,并领悟到电解制气不仅能解决燃料问题,还能利用气体的浮力摆脱水的张力。一旦火花点燃,腔室内会瞬间充满气体,嗖的一声,冲出水面。正如论文所述,机器人不仅获得运动助力,还形成了运动的预设弹道。

  哈佛大学技术开发办公室已经为蜜蜂机器人申请了专利

  除了破解水表张力的难题之外,微型机器人实验室的研究者们还优化了机翼设计。他们表示,蜜蜂机器人是第一个能够在复杂环境中反复来回移动的微型机器人。新设计允许机器人在水与空气之间直接过渡,这是自然昆虫做不到的。

  水的密度是空气的1000倍,两种性质不同的介质对机翼的要求很高,其拍动速度在转换中变化很大。如果振动频率太低,机器人会飞不起来;频率太高,机翼就会在水中折断。结合理论模型和实验数据,研究人员寻找到了机翼尺寸与振动频率的黄金组合。新翅膀采用了多模式运动设计,空气中的拍动频率为220至300赫兹,水中则变为9至13赫兹。

  研究者还指出,通过修改机器人的设计,新版蜜蜂机器人的有效载荷能力是第一代的三倍以上,这使得机器人能够携带额外设备,包括气室、电解板、电火花和灵活的支架腿。这使它进化为一种多功能机器人,并能在复杂环境中完成各种任务。

  尽管新型蜜蜂机器人已成为微型机器人领域的一大成就,但它还未达到完美的境界。罗伯特·伍德表示,由于当前的机载传感器性能不足,运动跟踪系统存在限制,蜜蜂机器人还不能从飞行状态即刻推进水中,希望未来能改变这一状况。此外,为便于搜集数据和飞行控制,机器人在实验中依然还带着导线进行试飞。无法安装复杂制导系统,导致它还不能被远程控制。

  如今,蜜蜂机器人的研究成果已能形成一个平台,在这个平台上,力的作用方式与表现形态都与人类世界有诸多差异。飞行时,它感觉就像是踩着水;游泳时,它好像被蜜糖包围。表面张力带来的困难无所不在,微型机器人却让我们有机会以一种非常丰富的方式探索这类现象。

  哈佛大学技术开发办公室已经为蜜蜂机器人申请了专利,并正在探索商业化的契机。很明显,经过数十年的技术积累,蜜蜂机器人会成为一个持续不断的项目,更高端的微型水陆两用机器人即将走入人们的生活。本版文并供图 罗春晓

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责编:赵汗青