圣母大學(xué)(xué)的研究人員成功地 3D 打印了四足群機(jī)器人，能夠穿越復(fù)雜的地形并克服前進(jìn)(jìn)道路上的障礙。該大學(xué)(xué)的機(jī)器人工程師兼電氣工程助理教授 Yasemin Ozkan-Aydin 試圖在機(jī)器人中模仿螞蟻、蜜蜂和鳥(niǎo)類(lèi)的集體行為來(lái)解決問(wèn)題。該研究探索了如何在單個(gè)(gè)機(jī)器人之間建立物理連接，以提高陸上有腿集體系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)(dòng)性和能力。例如，如果一個(gè)(gè)機(jī)器人遇到了他們無(wú)法克服的障礙，其他機(jī)器人就會(huì )(huì)齊心協(xié)(xié)力解決問(wèn)題?！壩型鵲臋C(jī)器人可以在崎嶇的地形和狹小的空間等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)(huán)境中航行，并且四肢的使用提供了有效的身體支撐，實(shí)(shí)現(xiàn)了快速的機(jī)動(dòng)(dòng)性并促進(jìn)(jìn)了障礙物的穿越，然而，有腿機(jī)器人在陸地環(huán)(huán)境中面臨著(zhù)獨(dú)特的移動(dòng)(dòng)挑戰(zhàn)，這會(huì )(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)(dòng)性能下降?！?/span>

3D 打印的四足群機(jī)器人。圖片來(lái)自圣母大學(xué)(xué)。

受自然啟發(fā)(fā)的群體機(jī)器人

研究人員越來(lái)越多地從自然界及其居民的行為中汲取靈感，為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)(fā)空中和水下機(jī)器人。然而，開(kāi)發(fā)(fā)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(dòng)(dòng)物王國中那些以自組織集體形式聚集在一起的動(dòng)(dòng)物的行為，例如蟻群、鳥(niǎo)群和魚(yú)群。盡管試圖復(fù)制這種自然的集體智慧，但他們的群體機(jī)器人通常是遠(yuǎn)程控制或 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 打印就被用于為海洋環(huán)(huán)境創(chuàng )(chuàng)建群機(jī)器人。該項(xiàng)目吸引了五所歐洲大學(xué)(xué)的參與，最終形成了 40 個(gè)(gè) 3D 打印的微型潛艇機(jī)器人，它們可以協(xié)(xié)同工作來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)(wù)。

最近，哈佛大學(xué)(xué)的一個(gè)(gè)研究小組在該領(lǐng)(lǐng)域又向前邁進(jìn)(jìn)了一步，成功地 3D 打印了一群柔軟的機(jī)器魚(yú)，它們能夠在沒(méi)有 Wi-Fi 或 GPS 幫助的情況下以復(fù)雜的模式游泳。機(jī)器人的自給自足可以看到它們被部署用于海洋環(huán)(huán)境中的生態(tài)(tài)監(jiān)測應(yīng)用，否則人類(lèi)無(wú)法進(jìn)(jìn)入。

目前，成群的地面機(jī)器人僅限于相對簡(jiǎn)單的環(huán)(huán)境，Ozkan-Aydin 說(shuō)，部分原因是缺乏應(yīng)對復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)(dòng)能力。因此，在 2020 年初，她開(kāi)始進(jìn)(jìn)行研究和實(shí)(shí)驗(yàn)，以復(fù)制動(dòng)(dòng)物群落的自組織行為，以提高群機(jī)器人的能力。

哈佛科學(xué)(xué)家的受魚(yú)啟發(fā)(fā)的機(jī)器人配備了攝像頭和藍(lán)色 LED，可幫助它們在水下導(dǎo)航。照片來(lái)自自組織系統(tǒng)研究小組。

3D打印群機(jī)器人

Ozkan-Aydin 的研究基于這樣一個(gè)(gè)前提，即單個(gè)(gè)機(jī)器人之間的物理連接可以增強(qiáng)整個(gè)(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)(dòng)性和能力。從本質(zhì)(zhì)上講，如果某個(gè)(gè)特定任務(wù)(wù)超出了單個(gè)(gè)機(jī)器人的能力，例如搬運(yùn)物體，則機(jī)器人會(huì )(huì)相互物理連接，形成一個(gè)(gè)更大的多腿系統(tǒng)來(lái)共同承受重量。Ozkan-Aydin 解釋說(shuō)：“當(dāng)螞蟻收集或運(yùn)輸物體時(shí)(shí)，如果遇到障礙，該小組會(huì )(huì)共同努力克服該障礙。例如，如果路徑中有間隙，它們將形成一座橋梁，以便其他螞蟻可以穿越——這就是這項(xiàng)研究的靈感來(lái)源。通過(guò)機(jī)器人技術(shù)(shù)，我們能夠更好地了解這些生物系統(tǒng)的動(dòng)(dòng)態(tài)(tài)和集體行為，并探索我們未來(lái)如何能夠使用這種技術(shù)(shù)?！?/span>

為了創(chuàng )(chuàng)建她的群體，Ozkan-Aydin 使用 3D 打印機(jī)生產(chǎn)(chǎn)了長(cháng)度在 15 到 20 厘米之間的低成本四足機(jī)器人。每個(gè)(gè)機(jī)器人都配備了鋰聚合物電池、微控制器和三個(gè)(gè)傳感器。除了正面的光傳感器外，每個(gè)(gè)機(jī)器人的正面和背面都有兩個(gè)(gè)磁性觸摸傳感器，使它們能夠附著(zhù)在群體中的其他人身上。每個(gè)(gè)機(jī)器人都是 3D 打印的，有四個(gè)(gè)靈活的腿，根據(jù) Ozkan-Aydin 的說(shuō)法，這為機(jī)器人提供了一定程度的“機(jī)械智能”，并減少了對額外傳感器的需求。你不需要額外的傳感器來(lái)檢測障礙物，因?yàn)橥炔康攆`活性有助于機(jī)器人直接從它們身邊移動(dòng)(dòng)，”她說(shuō)。 “他們可以測試路徑上的縫隙，用身體搭建一座橋梁；單獨(dú)移動(dòng)(dòng)物體；或連接以在不同類(lèi)型的環(huán)(huán)境中共同移動(dòng)(dòng)對象?！?/span>

測試集群機(jī)器人

在對每個(gè)(gè)機(jī)器人進(jìn)(jìn)行 3D 打印后，Ozkan-Aydin 測試了機(jī)器人在草地、覆蓋物和粗毛地毯等地形上以及克服樹(shù)葉和橡子等障礙物的能力。她在刨花板上的平坦地面上測試機(jī)器人，并使用絕緣泡沫和木塊建造樓梯作為崎嶇的地形。當(dāng)單個(gè)(gè)機(jī)器人卡在障礙物上時(shí)(shí)，會(huì )(huì)向群中的其他機(jī)器人發(fā)(fā)送信號(hào)。然后，它們通過(guò)磁性觸摸傳感器連接在一起，以提供支持并成功克服障礙或地形。雖然 Ozkan-Aydin 承認(rèn)她的機(jī)器人群設(shè)計(jì)仍有待改進(jìn)(jìn)，但她相信這項(xiàng)研究將有助于為能夠適應(yīng)不可預(yù)見(jiàn)場(chǎng)景的低成本腿群的設(shè)計(jì)提供信息。她預(yù)計(jì)她的研究將有助于開(kāi)發(fā)(fā)能夠執(zhí)行現(xiàn)實(shí)(shí)世界任務(wù)(wù)的群體機(jī)器人，例如搜救行動(dòng)(dòng)、運(yùn)輸物體、環(huán)(huán)境監(jiān)測，甚至太空探索。

點(diǎn)(diǎn)評：展望未來(lái)，Ozkay-Aydin 將通過(guò)進(jìn)(jìn)一步探索螞蟻和白蟻等昆蟲(chóng)的集體動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)，將她的研究重點(diǎn)(diǎn)放在提高群機(jī)器人系統(tǒng)的控制、傳感和動(dòng)(dòng)力能力上。除了改進(jìn)(jìn)機(jī)器人內(nèi)部的電池技術(shù)(shù)，未來(lái)的工作將著(zhù)眼于整合更多的傳感器和更強(qiáng)大的電機(jī)，同時(shí)(shí)保持它們的小尺寸?！皩τ詮δ芐約合到y(tǒng)，電池技術(shù)(shù)需要改進(jìn)(jìn)，我們需要能夠提供更多電力的小型電池，理想情況下可以持續(xù) 10 小時(shí)(shí)以上。