研究者對初代機器人進行改造，推出了新款蜜蜂機器人
據(jù)哈佛大學工程與應(yīng)用科學學院官方網(wǎng)站報道，該校的約翰·A·保爾森工程學院與威斯生物工程研究所的科學家們共同合作，研發(fā)出名為“蜜蜂機器人”的最新混合型機器人。該研究項目由美國國家科學基金會和哈佛大學威斯生物工程研究所共同支持，相關(guān)研究論文已發(fā)表于外刊雜志《科學機器人》上。
自2003年開始，蜜蜂就進入了研究者的視野。它們是勤懇的“勞動者”，體型嬌小，飛行敏捷，在采食花粉、釀造花蜜之余，還能保持內(nèi)部組織井然有序。一個地區(qū)，缺少了蜜蜂，植物授粉就會受到影響。科學家們認為，若能模仿蜜蜂，制作出微型仿生機器人，既能替代蜜蜂的工作，又能配備其他強大功能，將會為人類的未來生活帶來極大便利。
于是，在2012年年末，哈佛大學的研究人員共推出20種蜜蜂機器人原型。它們雖然外形各異，但基本都有超薄的“翅膀”和超強的微動力系統(tǒng)。2013年發(fā)表于《自然》雜志上的論文表明，經(jīng)過十年研發(fā)，人們終于迎來了體重僅80毫克的第一代“蜜蜂機器人”。盡管在飛行性能上還有諸多需要改善的地方，但它基本實現(xiàn)了科學界的最初預(yù)期。
今年，研究者對初代機器人進行改造，推出了新款蜜蜂機器人。研究者稱，新款機器人屬于混合型機器人，它不僅飛行技能一流，還能自如黏附在墻壁上。更令人意想不到的是，它還能聽從指揮，進入水中，或潛水，或游泳，最后返回水面，安全著陸。論文表明，新一代蜜蜂機器人的重量要比任何一款水陸兩用機器人輕1000倍，適應(yīng)多種用途，還能從事搜救行動、環(huán)境監(jiān)測和輔助生物研究等。
哈佛蜜蜂機器人將進化方向調(diào)整為水下
相比如同一根火柴棒的第一代蜜蜂機器人，今年的升級版本體型更大，整體色調(diào)也從原先的銀黑色改為黃黑色。重量為175毫克，是過去的兩倍。底部依然保持了“四足鼎立”的設(shè)計，但機身已修改為長方體盒子形狀，頂部也不再單有兩只透明翅膀，而是增添了四個方向上的感應(yīng)支架。這讓它看上去更像一架微型無人機，而非簡單的仿生機器人。
由于無人機量產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)，會飛的小機器人在大眾看來并不是什么新鮮事，所以哈佛蜜蜂機器人將進化方向調(diào)整為水下，從最初貼在水面上不動，到如今能潛入水中游泳。
千萬別小看水的力量，對人類而言，離開水是件很容易的事，但對于像昆蟲這類體型微小的生物來說，卻是個挑戰(zhàn)。新款蜜蜂機器人比一美分硬幣輕14倍，這樣的尺寸條件下，水的表面張力是機器人自身重量的10倍，是機器人起飛所需提升力的3倍，簡直是超強引力！哈佛大學工程學教授羅伯特·伍德表示，想象一下你在浴缸內(nèi)洗澡，全身浸入水中，再從水底起身的那種感覺，水帶來的表面張力就像是一堵無法穿越的墻壁。
為了解決這個問題，研究者對四腿機器人進行了大改造，尤其是在浮動裝置上，為它配備了微型可燃火箭，能夠在瞬間提供打破水表張力的爆發(fā)性動力。伊麗莎白·赫爾布林是哈佛微型機器人實驗室的研究生和發(fā)表論文的合作者，他介紹稱，機身的長方形盒子就是一個中央集氣室。一旦機器人游到水面附近，室內(nèi)就會點燃火花，電解板開始將水變?yōu)榭扇夹缘臍溲趸旌蠚怏w。
從體型上不難看出，蜜蜂機器人本身的載荷能力有限，無法攜帶運動所需燃料，所以研究者們不得不找出一個創(chuàng)造性解決方案，比如從環(huán)境中尋找可利用資源。由此，研究者聯(lián)想到火箭發(fā)射所需的氫和氧，并領(lǐng)悟到電解制氣不僅能解決燃料問題，還能利用氣體的浮力擺脫水的張力。一旦火花點燃，腔室內(nèi)會瞬間充滿氣體，嗖的一聲，沖出水面。正如論文所述，機器人不僅獲得運動助力，還形成了運動的預(yù)設(shè)彈道。
哈佛大學技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)為蜜蜂機器人申請了專利
除了破解水表張力的難題之外，微型機器人實驗室的研究者們還優(yōu)化了機翼設(shè)計。他們表示，蜜蜂機器人是第一個能夠在復(fù)雜環(huán)境中反復(fù)來回移動的微型機器人。新設(shè)計允許機器人在水與空氣之間直接過渡，這是自然昆蟲做不到的。
水的密度是空氣的1000倍，兩種性質(zhì)不同的介質(zhì)對機翼的要求很高，其拍動速度在轉(zhuǎn)換中變化很大。如果振動頻率太低，機器人會飛不起來；頻率太高，機翼就會在水中折斷。結(jié)合理論模型和實驗數(shù)據(jù)，研究人員尋找到了機翼尺寸與振動頻率的黃金組合。新翅膀采用了多模式運動設(shè)計，空氣中的拍動頻率為220至300赫茲，水中則變?yōu)?至13赫茲。
研究者還指出，通過修改機器人的設(shè)計，新版蜜蜂機器人的有效載荷能力是第一代的三倍以上，這使得機器人能夠攜帶額外設(shè)備，包括氣室、電解板、電火花和靈活的支架腿。這使它進化為一種多功能機器人，并能在復(fù)雜環(huán)境中完成各種任務(wù)。
盡管新型蜜蜂機器人已成為微型機器人領(lǐng)域的一大成就，但它還未達到完美的境界。羅伯特·伍德表示，由于當前的機載傳感器性能不足，運動跟蹤系統(tǒng)存在限制，蜜蜂機器人還不能從飛行狀態(tài)即刻推進水中，希望未來能改變這一狀況。此外，為便于搜集數(shù)據(jù)和飛行控制，機器人在實驗中依然還帶著導(dǎo)線進行試飛。無法安裝復(fù)雜制導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)致它還不能被遠程控制。
如今，蜜蜂機器人的研究成果已能形成一個平臺，在這個平臺上，力的作用方式與表現(xiàn)形態(tài)都與人類世界有諸多差異。飛行時，它感覺就像是踩著水；游泳時，它好像被蜜糖包圍。表面張力帶來的困難無所不在，微型機器人卻讓我們有機會以一種非常豐富的方式探索這類現(xiàn)象。
哈佛大學技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)為蜜蜂機器人申請了專利，并正在探索商業(yè)化的契機。很明顯，經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)積累，蜜蜂機器人會成為一個持續(xù)不斷的項目，更高端的微型水陸兩用機器人即將走入人們的生活。
