苦活臟活交給昆蟲(chóng)機(jī)器人

昆蟲(chóng)或蠕動(dòng)，或爬行，或飛翔。如今，它們也激發(fā)了創(chuàng)新靈感，無(wú)論設(shè)計(jì)機(jī)器人還是顯示屏都離不開(kāi)它們。

當(dāng)面臨兩條通向食物來(lái)源的路徑時(shí)，一只螞蟻也許不知道哪條為最佳，但蟻群卻能快速解決難題：?jiǎn)蝹€(gè)螞蟻留下一種所謂信息素的化學(xué)物質(zhì)痕跡，從而標(biāo)記從蟻巢到美食的來(lái)回路線。隨著其他螞蟻跟進(jìn)，信息素會(huì)沿最短路徑迅速聚集，增強(qiáng)氣味并引導(dǎo)整個(gè)蟻群行動(dòng)。

蜂群也同樣匯集它們的資源來(lái)選擇定居點(diǎn)。數(shù)以百計(jì)的“偵查員”出發(fā)去搜索潛在的定居點(diǎn)，并折返反饋信息，其他“偵查員”則跟進(jìn)飛出并選擇去留，直到共同選出某一特定的地方。這種“生死攸關(guān)的抉擇”利用了蜂群的集體智慧，換言之即是集思廣益的產(chǎn)物。

受這些昆蟲(chóng)案例的啟發(fā)，工程技術(shù)人員計(jì)劃組建“小昆蟲(chóng)”機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，來(lái)協(xié)同完成那些對(duì)于人類(lèi)而言困難、危險(xiǎn)或枯燥的工作。和自然界的昆蟲(chóng)一樣，這些機(jī)器人系統(tǒng)趨于分散式，由一個(gè)個(gè)的機(jī)器人個(gè)體執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)，累計(jì)為集體成就。

“最終，我們還是要回到大自然中去觀察昆蟲(chóng)的行為。”華盛頓大學(xué)的工程師、機(jī)械蜈蚣的設(shè)計(jì)師卡爾·伯林格說(shuō)，“它們能做一些不可思議的事。”

制造出像螞蟻那樣的機(jī)器人

早在上世紀(jì)90年代，麻省理工學(xué)院的學(xué)生詹姆斯·麥盧金（James McLurkin）就決定制作出效仿螞蟻行為的機(jī)器人，這一大膽的想法源于“無(wú)拘無(wú)束本科生的瘋狂”。他設(shè)計(jì)的昆蟲(chóng)機(jī)器人約有2.5厘米長(zhǎng)，內(nèi)置小型計(jì)算機(jī)、能幫助它們避開(kāi)障礙物的光感器，以及兩臺(tái)馬達(dá)（其中一個(gè)負(fù)責(zé)移動(dòng)，另一個(gè)操作上顎）。

2004年，作為麻省理工學(xué)院研究生的麥盧金，調(diào)集了104個(gè)機(jī)器人在廢棄的軍事建筑物中尋找一個(gè)隱藏物。每個(gè)機(jī)器人個(gè)體都通過(guò)紅外信號(hào)，與附近五六個(gè)相鄰機(jī)器人保持聯(lián)系。這群機(jī)器人不負(fù)眾望，順利鎖定了目標(biāo)物。

這些成功的實(shí)驗(yàn)讓麥盧金思考具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義的應(yīng)用程序，諸如地震后對(duì)幸存者的搜尋或?qū)鹦潜砻娴奶剿鳌Ｄ壳埃鳛槿R斯大學(xué)的多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任，麥盧金打算實(shí)現(xiàn)當(dāng)年的想法。盡管他的第一只螞蟻機(jī)器人r-one已具有觸角和下顎，但不同于這些“前輩”的是，麥盧金的新模型并未體現(xiàn)出來(lái)自于自然的靈感，相反，它更似一個(gè)超大的冰球。每個(gè)機(jī)器人均由內(nèi)部的鋰電池供電，成本約為250美元，這比早期的螞蟻機(jī)器人價(jià)格便宜近10倍。麥盧金希望把成本降到100美元，以便用于大規(guī)模搜索、救援或其他艱巨的任務(wù)。

用于救援的機(jī)器人

2007年，作為哈佛微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人，羅伯特·伍德成為了讓一種蒼蠅般大小，具有撲翼機(jī)構(gòu)，由微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)塑料翅膀的機(jī)器人起飛的第一人。該機(jī)器人的身體只有指甲般大小，由碳纖維打造，重量不足60毫克。同事力勸伍德本人打造此類(lèi)“機(jī)器人艦隊(duì)”，并開(kāi)發(fā)“蜜蜂機(jī)器人”項(xiàng)目。該項(xiàng)目歷經(jīng)五年，涉及多學(xué)科如生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)投資等。

目前，常用的蜜蜂機(jī)器人尺寸仍然過(guò)大，重量達(dá)到600毫克，相當(dāng)于伍德他們開(kāi)發(fā)的個(gè)體的10倍重。其圖像處理系統(tǒng)模仿真實(shí)的蜜蜂影像處理過(guò)程，利用低分辨率拍照的“眼睛”，以連續(xù)快照方式向蜜蜂機(jī)器人的“大腦”傳輸信息。

重量極小是單個(gè)蜜蜂機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。伍德表示，一名消防員能夠在口袋里攜帶1000只這樣的機(jī)器人，它們?nèi)康闹亓績(jī)H一磅。讓它們飛進(jìn)燃燒的建筑中或在其周?chē)P(pán)旋，可以為救援人員提供信息。也許某一天，蜜蜂機(jī)器人能夠跟蹤快速變化的事件，如森林火災(zāi)、原油滲漏或化學(xué)灰塵等，或者還可以為花或農(nóng)作物授粉——現(xiàn)在急需關(guān)注的是真正的蜜蜂種群正因疾病、化學(xué)毒素或其他原因而逐漸消亡。

目前，這款機(jī)器人的最大缺點(diǎn)是它必須與外部電源有線連接。盡管已實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，但自由飛行仍是當(dāng)務(wù)之急，伍德不想在完善其他設(shè)計(jì)元素之前“等著完美的電源問(wèn)世”。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)中的一些成員試圖開(kāi)發(fā)輕量級(jí)電源的時(shí)候，另一些人則忙于傳感器與制造工藝。伍德說(shuō)：“所有這些工作都必須同時(shí)進(jìn)行。”

工程技術(shù)人員還在設(shè)計(jì)算法，用以控制數(shù)以千計(jì)蜜蜂機(jī)器人的行為，讓它們完成諸如為植物授粉之類(lèi)的任務(wù)。“我們的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于大自然，”哈佛大學(xué)的博士后卡提克·丹徒（Karthik Dantu）說(shuō)，“但之后該怎樣實(shí)踐，則要從工程技術(shù)角度著手。”

“白蟻建筑師”

雖然白蟻因破壞木結(jié)構(gòu)而臭名昭著，但它們也同樣是大自然偉大的建筑師。一只白蟻的體長(zhǎng)不足2.5厘米，但是一群白蟻可以建造出10米多高、內(nèi)部通道錯(cuò)綜復(fù)雜的土丘。同樣引人注目的事實(shí)是，這樣一個(gè)大規(guī)模的建筑，在建設(shè)過(guò)程中竟沒(méi)有一位“監(jiān)工”。白蟻們各自收集泥材、堆積成堆、修補(bǔ)漏洞或空缺，在沒(méi)有任何統(tǒng)一管理的情況下仍能修筑出一個(gè)如此復(fù)雜的建筑體。

哈佛大學(xué)的計(jì)算科學(xué)專(zhuān)家拉迪卡·納格普和她的同事正著手研制人工白蟻，這種“白蟻”與自然界真正的白蟻一樣，能夠建造比自己大得多的建筑物。每個(gè)白蟻機(jī)器人大約18厘米長(zhǎng)、10厘米寬，看起來(lái)更像是一個(gè)由四輪混合驅(qū)動(dòng)的倒置手推車(chē)。

白蟻機(jī)器人的夾具裝置能鉗取磚塊，可將磚塊向后面拋送，并堆放到恰當(dāng)?shù)奈恢谩Ｔ趩蝹€(gè)白蟻成功構(gòu)建10塊磚的樓梯后，研究團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備用三個(gè)機(jī)器人來(lái)建造一個(gè)約80塊磚的樓梯，這如同城堡結(jié)構(gòu)那樣更為復(fù)雜。

白蟻機(jī)器人不是聽(tīng)由指令操作磚塊和去向，而是根據(jù)編程時(shí)的設(shè)定從而抵達(dá)某一特定位置。如果那個(gè)位置高于正確的位置點(diǎn)，機(jī)器人將保持鋪設(shè)磚塊的狀態(tài)，直到它能到達(dá)那里才開(kāi)始造樓梯。整個(gè)過(guò)程中，每個(gè)機(jī)器人都不需要與其他機(jī)器人協(xié)作行動(dòng)。

哈佛大學(xué)的機(jī)器人專(zhuān)家尼爾斯·納普進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出改良版的白蟻機(jī)器人，它們可以堆起重達(dá)幾磅的袋裝大米——類(lèi)似于用沙袋加固堤壩或在一些危險(xiǎn)地帶（洪災(zāi)區(qū)域、受污的環(huán)境、水下及外太空等）實(shí)施搭建工作。

“蜈蚣提重器”

雖然對(duì)人類(lèi)而言?xún)蓷l腿已經(jīng)足夠，但工程技術(shù)人員卡爾·博赫林格和他華盛頓大學(xué)的同事們想知道有什么裝置可以應(yīng)付512條腿。他們的機(jī)械蜈蚣是通過(guò)類(lèi)似于制作電腦芯片的精加工技術(shù)制造而成的，長(zhǎng)度剛剛超過(guò)2.5厘米，重量不到0.6克。

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，它的腿被設(shè)計(jì)成像三明治那樣，一個(gè)導(dǎo)電層楔入兩個(gè)絕緣層之間。電流脈沖每秒30次，每個(gè)脈沖峰值交替加熱不同的“三明治”夾層。加熱時(shí)，其中一個(gè)絕緣層的膨脹速度會(huì)比其他層快，致使腿交替彎曲和快速伸直，機(jī)器人因而能夠前進(jìn)、后退，同樣也可以側(cè)向移動(dòng)。

速度問(wèn)題是這種蜈蚣機(jī)器人的一大缺陷，目前它每小時(shí)只能移動(dòng)1米。在這樣的速度下，繞足球場(chǎng)一周將耗時(shí)4天多。博赫林格計(jì)劃加快它們的速度，也許能達(dá)到100倍，雖然這也并未快到足以吸引全美運(yùn)動(dòng)汽車(chē)競(jìng)賽協(xié)會(huì)的車(chē)迷們。

由于此類(lèi)蜈蚣可以承載自重7倍的重量，就此而言，作為一臺(tái)微型負(fù)荷機(jī)也許是其最佳運(yùn)用。在去掉一些多余的設(shè)計(jì)后，博赫林格認(rèn)為這種蜈蚣最終可以承載自重50倍的重量，這樣，它便可以用于火星樣品收集等任務(wù)。如果成功的話，它們的承載能力將能使機(jī)器人與螞蟻相提并論——這是一個(gè)罕見(jiàn)的實(shí)例，集中體現(xiàn)出現(xiàn)代技術(shù)與大自然的實(shí)際較量。

小強(qiáng)機(jī)器人來(lái)襲

蟑螂比白蟻更易受到人類(lèi)的鄙視。然而，蟑螂有著快速行動(dòng)能力，幾乎能無(wú)所不至——爬進(jìn)狹小的空間，垂直移動(dòng)或倒置——這讓它們不僅成為令人生畏的害蟲(chóng)，而且成為機(jī)器人專(zhuān)家眼里一個(gè)極具吸引力的研究模型。

2009年，加利福尼亞大學(xué)伯克利校區(qū)的研究人員公布了一款自驅(qū)、自控橫趴式六足體，簡(jiǎn)稱(chēng)為DASH。這種替身蟑螂酷似一個(gè)長(zhǎng)10厘米、寬5厘米并由六條延伸開(kāi)來(lái)的腿所支撐著的雪橇。六足的設(shè)計(jì)確保了穩(wěn)定性；當(dāng)它運(yùn)行時(shí)，它的腿是通過(guò)三腳架結(jié)構(gòu)來(lái)接觸地面的。

伯克利分校的一名研究生保羅·伯克邁耶，曾是DASH原型機(jī)的設(shè)計(jì)者，后來(lái)為這個(gè)蟑螂造型的機(jī)器人增添了爪子。改良后的機(jī)器人簡(jiǎn)稱(chēng)為CLASH，它具有交替使用的腳，從而使其幾乎能垂直攀爬上一系列光滑或粗糙的表面，比如墻壁、沙發(fā)和窗簾等。

另一位研究生凱文·彼得森，增加了電動(dòng)翅膀和尾巴使該機(jī)器人速度更快，已經(jīng)超過(guò)每秒1.2米。這種改良版機(jī)器人也能夠爬上較陡峭的斜坡，以及跌倒時(shí)保持直立。彼得森從不同的高度拋出“DASH+Wings”（改良后的混合體），它幾乎總能安全著陸。

展望未來(lái)，伯克利團(tuán)隊(duì)將為這些吃苦耐勞的昆蟲(chóng)機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用程序。“我們可以送它們?nèi)ツ切┪ｋU(xiǎn)或根本不適合人類(lèi)停留的地方。”彼得森說(shuō)，“機(jī)器人可以負(fù)責(zé)搜索爆炸物，檢查管道是否漏氣以及勘測(cè)橋梁。”蟑螂所到之處都是我們并不希望它們?nèi)サ牡胤健！艾F(xiàn)在，工程師們扭轉(zhuǎn)局勢(shì)，著手研發(fā)生物機(jī)器人，使它們?nèi)ツ切┤藗儾幌肴サ牡胤健！?/p>