人造蜜蜂嗡嗡飛

李和昌

十年磨一劍

2013年5月，研制10年的機器蜜蜂首次實現了遙控飛行。未來機器蜜蜂可應用于搜索、營救、監測和環境監控等，甚至還能像真實的蜜蜂一樣對農作物進行授粉呢。

自2003年，美國哈佛大學就開始研制設計機器蜜蜂。2007年首次研制成了實物大小的機器蒼蠅。而要達成蜜蜂的自治飛行，需要更緊湊的高效能源，以及能無縫整合到機器蜜蜂體內的電子部件。機器蜜蜂設計受益于飛行生物學的靈感，它具有極薄的翅膀和壓電致動器制造的飛行“肌肉”，當應用一個電場時陶瓷條可以膨脹和收縮。每個翅膀都安裝在細長碳纖維體頂部，像真實的昆蟲一樣，它們的翅膀能夠獨立活動，拍打時自由旋轉。

機器蜜蜂重約80毫克，具有一對類似蒼蠅的翅膀，每秒可拍打120次，是飛行昆蟲的首個實用模型。在測試中通過一根連線與機器蜜蜂連接，控制它的起飛、空中盤旋和改變方向。拍打翅膀形成的向下氣流可使機器蜜蜂在空中盤旋，通過傾斜身體而實現向前或向后飛行。

機器如何飛

但是設計最初，存在的一個重大問題是如何為翅膀提供動力，體型較大的機器人采用電磁發動機，體型較小的則需要考慮其他方案。過去幾十年，人們對小型機器人的研究十分有限，因為機器蜜蜂很小，在這樣的尺度下，占主導的是摩擦等表面作用力，而不是與質量相關的重力和慣性。由于體型的限制，傳統工具都無法使用，包括旋轉軸承、齒輪和電磁發動機組件——這些在大型機器人中隨處可見的組件，在機器蜜蜂身上效率太低。

除了快速旋轉的發動機和齒輪，研究人員還模仿飛行類昆蟲，為機器蜜蜂設計了一個飛行結構——由人造肌肉提供動力，使翅膀可以拍動。機器蜜蜂的肌肉系統用獨立的“肌肉”來提供動力，控制飛行。較大功率的驅動器用來驅動翅膀拍動，而較小功率的驅動器用來微調翅膀運動，產生轉矩，控制和操縱飛行。這兩個驅動器都設在翅膀與身體的連接處。

人造肌肉由壓電材料構成，當向壓電材料施加電壓時，壓電材料就會收縮。雖然這樣的驅動器還存在諸如易碎、需要較高的電壓等一些缺點，但從物理上來說，尺寸較小對研究人員也有好處。驅動器越小，運動速度越快。由于驅動器在每個運動周期完成的做功量是恒定的，所以翅膀拍打得越快，輸出的功率就越大。事實上，人造肌肉的功率，與同體積的昆蟲肌肉相當。

關節很重要

過去幾年，研究人員已經試用了數十種不同的驅動器和關節。他們的目的是想找到一種最簡單可行的制作方案，因為要制造成千上萬的機器蜜蜂，驅動器和關節這樣的組件必須大規模生產。

目前，研究人員用一種硬質材料如碳纖維層作為頂層和底層，類似一個三層的三明治結構，中間夾著柔軟的聚合物，以此構建每個機器蜜蜂。碳纖維層中間的聚合物是可以彎曲的，這樣就可以制備出—個柔性關節。這種方法的美妙之處在于，適合高效的流水線生產。首先，研究人員用紫外線激光精確地切割碳纖維層；接著，將各層對齊，用黏合劑壓在一起；然后，從基板中取出每個組件；最后，他們從兒童立體書中得到靈感，設計出最后一步：只用—個動作，就可以在二維表面彈出3D結構。

供能受限制

研究人員在建造蜜蜂大小的機器人方面已經取得了很大的進展，但仍然存在懸而未決的問題，怎樣為這么小的機器人供能。為了供能問題，機器蜜蜂的身體大部分都得由主驅動器和動力裝置占據。想想電池吧，盡管研究人員也在研制固體氧化物微型燃料電池。供能也是一個兩難的問題：供能元件越大，提供的能量當然也越多，但這樣一來，機器蜜蜂的重量就會增加，需要更大的推進系統來抵消增加的重量，最后又得尋找更大的供能元件。

在飛行狀態下機器蜜蜂使用19毫瓦電流，相當于多數昆蟲的能量消耗。考慮到電池的能量密度和身體各部件的能量利用率，研究人員最樂觀的估計是，這只機器蜜蜂只能飛行幾十秒鐘。為了延長飛行時間，研究人員盡量減小蜜蜂的重量，并使各部件的效率最大化。

雖然研究人員還未制造出可以自己供能飛行的機器蜜蜂，但已經可以讓一只100毫克的機器蜜蜂，產生足夠的推力起飛。他們把它系在一個外接電源上。借助主動和被動機構，這只機器蜜蜂可以自己保持穩定。

學習大自然

電源不是唯一的問題。機器蜜蜂的“大腦”是另一個難題。在野外，機器蜜蜂必須不斷根據環境，確定最好的行動方式，并自己控制飛行機制。實驗室里，研究人員還可以借助外部電子設備，制定一個臨時的解決方案，但真正進入工作狀態，機器蜜蜂只能依靠自己的“大腦”。

如果要達到較高的水平，機器蜜蜂的“大腦”不僅需要自身的行動，還得與其他機器蜜蜂互動。研究人員打算給機器蜜蜂設計一個多層次的“大腦”：傳感器負責感知環境因素，電子神經系統負責基本的控制功能，而一個可編程的電子大腦皮層負責做出高層次的決策。作為第一步，首先要設計一個簡要版的大腦系統，讓機器蜜蜂實現自主飛行。這也是一個挑戰，需要嚴格控制由傳感器、信號處理器和身體各部位組成的回路。

為了弄清楚該使用什么樣的傳感器，以及如何構建大腦的電路結構，研究人員再次將目光投向了大自然。蜜蜂感知世界時，使用了兩類傳感器：本體感受器會讓蜜蜂知道自己飛行時身體處于何種狀態——翅膀的拍打速度、身體的體能狀況；外部傳感器則提供外部世界的信息。

現代技術提供了GPS、加速計和多軸陀螺儀，但這些傳感器要么太重，要么會能耗太多，或者又重又耗能，根本沒法用在機器蜜蜂上。因此，研究人員正在研究一種電子視覺系統，與天然蜜蜂的視覺系統類似，可以分析“光流”，也就是在一個視覺傳感器的“視野”中，明顯的物體運動。想象一下，當你乘坐汽車時，看到的窗外景物是怎樣的：車窗附近的物體移動速度快，而遠處的物體移動緩慢。如果一個視覺系統可以做到這一點，它就能展現某一環境的詳細三維場景。即使它只配備有一個小小的、簡單的圖像傳感器。

問題難取舍

研究人員面臨的一個重要問題是怎么取舍。例如，他們希望有一個高分辨率的攝像頭，但高像素意味著更大的圖像傳感器，而且需要額外的計算能力來處理圖像。那么，如何取舍才是最合適的？

為了回答這類問題，研究人員已經開發出一種特殊的風洞實驗室。他們把機器蜜蜂的身體，安裝在一個固定的多軸向力和扭矩傳感器上，讓它扇動翅膀，模擬飛行；將蜜蜂飛經的物理環境的圖像，投影在風洞實驗室的墻壁上。通過這種方式，可以探索視覺系統、大腦和身體如何協調合作，從而更好地控制機器蜜蜂的飛行。

另外，機器蜜蜂的大腦還得有足夠的能力，處理圖像傳感器傳來的數據流，做出適當的決策，驅動身體里的驅動器。同樣，那些現成的先進設備還是沒法用于機器蜜蜂。因此，研究人員一直在開發一類新的計算機架構，用于構建機器蜜蜂的大腦，把通用計算與專用硬件加速器結合起來。與普通家用電腦中可以做任何事情的通用處理器不同，硬件加速器這種經過精細設計的電路模塊只能做一件事情，但可以做得很好。這樣，即便在嚴格的功耗限制之下，也可以使用硬件加速器來快速并實時地進行穩定飛行所需要的計算。

前途無極限

當然，飛行控制僅僅是個開始。同時，還要開發其他一些傳感器，讓機器蜜蜂完成某些特殊任務，比如去搜尋埋在地震廢墟中的幸存者。事實上，小巧靈活、簡單價廉的機器人，能比一些專業人員更有效地完成任務。例如，營救人員可以帶上一個重量不足1千克、裝有1 000只機器蜜蜂的盒子，在遭受自然災害的野外，放飛這些機器蜜蜂，根據傷者的熱量、聲音、呼出的二氧化碳來搜尋、營救傷者。如果只有3只機器蜜蜂完成任務，其他蜜蜂都失敗了，對于整個蜂群來說，仍然是取得了成功。

雖然研究人員已經取得了很大的進步，但要做的工作還有許多。他們預計，幾年之內，機器蜜蜂將能在嚴格控制的實驗條件下飛行。10年以后，它們將被廣泛使用。