圣母大學(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)道路上的障礙。該大學(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、蜜蜂和鳥類的集體行為來解決問題。該研究探索了如何在單個機(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)動性和能力。例如，如果一個機(jī)器人遇到了他們無法克服的障礙，其他機(jī)器人就會齊心協(xié)力解決問題。“有腿的機(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)境中航行，并且四肢的使用提供了有效的身體支撐，實現(xiàn)了快速的機(jī)動性并促進(jìn)了障礙物的穿越，然而，有腿機(jī)器人在陸地環(huán)境中面臨著獨(dú)特的移動挑戰(zhàn)，這會導(dǎo)致運(yùn)動性能下降。”

3D 打印的四足群機(jī)器人。圖片來自圣母大學(xué)。

受自然啟發(fā)的群體機(jī)器人

研究人員越來越多地從自然界及其居民的行為中汲取靈感，為各種應(yīng)用開發(fā)空中和水下機(jī)器人。然而，開發(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物王國中那些以自組織集體形式聚集在一起的動物的行為，例如蟻群、鳥群和魚群。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）項目的一部分，3D 打印就被用于為海洋環(huán)境創(chuàng)建群機(jī)器人。該項目吸引了五所歐洲大學(xué)的參與，最終形成了 40 個 3D 打印的微型潛艇機(jī)器人，它們可以協(xié)同工作來執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。

最近，哈佛大學(xué)的一個研究小組在該領(lǐng)域又向前邁進(jìn)了一步，成功地 3D 打印了一群柔軟的機(jī)器魚，它們能夠在沒有 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)境中的生態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，否則人類無法進(jìn)入。

目前，成群的地面機(jī)器人僅限于相對簡單的環(huán)境，Ozkan-Aydin 說，部分原因是缺乏應(yīng)對復(fù)雜地形的運(yùn)動能力。因此，在 2020 年初，她開始進(jìn)行研究和實驗，以復(fù)制動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)家的受魚啟發(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前提，即單個機(jī)器人之間的物理連接可以增強(qiáng)整個系統(tǒng)的移動性和能力。從本質(zhì)上講，如果某個特定任務(wù)超出了單個機(jī)器人的能力，例如搬運(yùn)物體，則機(jī)器人會相互物理連接，形成一個更大的多腿系統(tǒng)來共同承受重量。Ozkan-Aydin 解釋說：“當(dāng)螞蟻收集或運(yùn)輸物體時，如果遇到障礙，該小組會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——這就是這項研究的靈感來源。通過機(jī)器人技術(shù)，我們能夠更好地了解這些生物系統(tǒng)的動態(tài)和集體行為，并探索我們未來如何能夠使用這種技術(shù)。”

為了創(chuàng)建她的群體，Ozkan-Aydin 使用 3D 打印機(jī)生產(chǎn)了長度在 15 到 20 厘米之間的低成本四足機(jī)器人。每個機(jī)器人都配備了鋰聚合物電池、微控制器和三個傳感器。除了正面的光傳感器外，每個機(jī)器人的正面和背面都有兩個磁性觸摸傳感器，使它們能夠附著在群體中的其他人身上。每個機(jī)器人都是 3D 打印的，有四個靈活的腿，根據(jù) Ozkan-Aydin 的說法，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檢測障礙物，因為腿部的靈活性有助于機(jī)器人直接從它們身邊移動，”她說。 “他們可以測試路徑上的縫隙，用身體搭建一座橋梁；單獨(dú)移動物體；或連接以在不同類型的環(huán)境中共同移動對象。”

測試集群機(jī)器人

在對每個機(jī)器人進(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)單個機(jī)器人卡在障礙物上時，會向群中的其他機(jī)器人發(fā)送信號。然后，它們通過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)計仍有待改進(jìn)，但她相信這項研究將有助于為能夠適應(yīng)不可預(yù)見場景的低成本腿群的設(shè)計提供信息。她預(yù)計她的研究將有助于開發(fā)能夠執(zhí)行現(xiàn)實世界任務(wù)的群體機(jī)器人，例如搜救行動、運(yùn)輸物體、環(huán)境監(jiān)測，甚至太空探索。

點評：展望未來，Ozkay-Aydin 將通過進(jìn)一步探索螞蟻和白蟻等昆蟲的集體動力學(xué)，將她的研究重點放在提高群機(jī)器人系統(tǒng)的控制、傳感和動力能力上。除了改進(jìn)機(jī)器人內(nèi)部的電池技術(shù)，未來的工作將著眼于整合更多的傳感器和更強(qiáng)大的電機(jī)，同時保持它們的小尺寸。“對于功能性集群系統(tǒng)，電池技術(shù)需要改進(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 小時以上。