自主機(jī)器人(Autonomous robots)，包括由材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)建的驅(qū)動(dòng)、能量、感覺(jué)和控制系統(tǒng)，這些材料和結(jié)構(gòu)不一定是為多功能而設(shè)計(jì)和集成的。然而，由機(jī)器人努力模仿的動(dòng)物和其他生物，在所有組織層面都包含高度復(fù)雜和相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠同時(shí)執(zhí)行多種功能。

近日，康奈爾大學(xué)Robert F. Shepherd等人將研究自然中的系統(tǒng)集成和多功能性如何激發(fā)自主機(jī)器人的新范式，即所謂的“具身能源(Embodied Energy)”。大多數(shù)不受束縛的機(jī)器人使用電池來(lái)儲(chǔ)存能量并為其操作提供動(dòng)力，而最近能源儲(chǔ)存技術(shù)的進(jìn)步使得化學(xué)或電力能源可以直接嵌入用于制造機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和材料中，而不需要單獨(dú)的電池組。綜述主要強(qiáng)調(diào)了在自主機(jī)器人發(fā)展的背景下出現(xiàn)的具身能源的研究進(jìn)展，以“Towards enduring autonomous robots via embodied energy”為題發(fā)表在最新一期的《Nature》。

圖1. 現(xiàn)代機(jī)器人中的能量、控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在過(guò)去的二十年里，通過(guò)開(kāi)發(fā)多功能、具身能源系統(tǒng)來(lái)提高機(jī)器自動(dòng)化的努力雖小，但在不斷增長(zhǎng)。然而，大多數(shù)機(jī)器人仍然包含獨(dú)立的動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)、感覺(jué)和控制模塊，每個(gè)模塊都針對(duì)單個(gè)任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化(圖1)。例如，在本田公司的ASIMO機(jī)器人中，關(guān)節(jié)中的驅(qū)動(dòng)器、軀干中的控制模塊和背包中的電池之間有明顯的區(qū)分，這種孤立的模塊之間缺乏協(xié)同作用和效率，在活體生物(例如圖中的章魚(yú))中可以觀察到這種協(xié)同作用和效率，而活體生物可以連續(xù)或根據(jù)需要采集、儲(chǔ)存和發(fā)電。通過(guò)在多功能系統(tǒng)配置中分配能源，如圖1中創(chuàng)新機(jī)器人的進(jìn)展及其相應(yīng)的框圖所示，可以擴(kuò)大其復(fù)雜功能的范圍，同時(shí)提高其運(yùn)行效率。

圖2. 能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換形成具身能源設(shè)計(jì)過(guò)程的框架

能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換

具身能源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面就是如何在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中準(zhǔn)確地收集、儲(chǔ)存、應(yīng)用和回收這些能量。大多數(shù)無(wú)約束機(jī)器人的設(shè)計(jì)都是基于尺寸、重量和功率之間的簡(jiǎn)單權(quán)衡。然而，通過(guò)拓寬材料或子系統(tǒng)的功能范圍，并在它們之間分配大量預(yù)算，可以顛覆傳統(tǒng)的能源預(yù)算和設(shè)計(jì)方法。動(dòng)力、傳感、計(jì)算和控制將在很大程度上依賴于機(jī)械系統(tǒng)。

圖2詳細(xì)說(shuō)明了在設(shè)計(jì)具身能源時(shí)需要考慮的重要概念。這里舉例說(shuō)明了幾個(gè)機(jī)器人具身能源系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都代表了一種特定的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換方法。雖然在機(jī)械系統(tǒng)中，能量?jī)?chǔ)存可以有多種形式，但作者在這里只描述了自主機(jī)器人可以利用的五種最常見(jiàn)的類型:電、機(jī)械、化學(xué)、磁和熱。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，這些類別有幾個(gè)是重疊的(例如，電化學(xué)電池或熱化學(xué)儲(chǔ)熱)，當(dāng)合并不同的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)時(shí)，可以利用這一特性。存儲(chǔ)能量的系統(tǒng)在效率，材料組成，甚至它們所接觸的物質(zhì)狀態(tài)(例如，固態(tài)電池，液體氧化還原流電池和氣態(tài)氫燃料電池)方面都有很大的差異。同樣，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制(例如，電磁馬達(dá)、內(nèi)燃機(jī)和液壓活塞)的設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜。

此外，作者介紹了現(xiàn)有的技術(shù)，這些技術(shù)可以將不同類型的存儲(chǔ)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的機(jī)械驅(qū)動(dòng)。具體而言，這些技術(shù)分別是：

· 電到機(jī)械轉(zhuǎn)換(Electrical to mechanical transduction)

· 機(jī)械到機(jī)械轉(zhuǎn)換(Mechanical to mechanical transduction)

· 化學(xué)到機(jī)械的轉(zhuǎn)換(Chemical to mechanical transduction)

· 磁力到機(jī)械的轉(zhuǎn)換(Magnetic to mechanical transduction)

· 熱到機(jī)械的轉(zhuǎn)換(Thermal to mechanical transduction)

圖3. 具身儲(chǔ)能和能量換能器組合的多功能Ragone圖。