研究者對初代機(jī)器人進(jìn)行改造，推出了新款蜜蜂機(jī)器人
據(jù)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院官方網(wǎng)站報(bào)道，該校的約翰·A·保爾森工程學(xué)院與威斯生物工程研究所的科學(xué)家們共同合作，研發(fā)出名為“蜜蜂機(jī)器人”的最新混合型機(jī)器人。該研究項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金會和哈佛大學(xué)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(xué)機(jī)器人》上。
自2003年開始，蜜蜂就進(jìn)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?？茖W(xué)家們認(rèn)為，若能模仿蜜蜂，制作出微型仿生機(jī)器人，既能替代蜜蜂的工作，又能配備其他強(qiáng)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(xué)的研究人員共推出20種蜜蜂機(jī)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(qiáng)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(jī)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(shí)現(xiàn)了科學(xué)界的最初預(yù)期。
今年，研究者對初代機(jī)器人進(jìn)行改造，推出了新款蜜蜂機(jī)器人。研究者稱，新款機(jī)器人屬于混合型機(jī)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(jìn)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(jī)器人的重量要比任何一款水陸兩用機(jī)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(jī)器人將進(jìn)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(jī)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(jì)，但機(jī)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(jī)，而非簡單的仿生機(jī)器人。
由于無人機(jī)量產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，會飛的小機(jī)器人在大眾看來并不是什么新鮮事，所以哈佛蜜蜂機(jī)器人將進(jìn)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(jī)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(jī)器人自身重量的10倍，是機(jī)器人起飛所需提升力的3倍，簡直是超強(qiáng)引力！哈佛大學(xué)工程學(xué)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(jī)器人進(jìn)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究生和發(fā)表論文的合作者，他介紹稱，機(jī)身的長方形盒子就是一個中央集氣室。一旦機(jī)器人游到水面附近，室內(nèi)就會點(diǎn)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(jī)器人本身的載荷能力有限，無法攜帶運(yùn)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(diǎn)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(jī)器人不僅獲得運(yùn)動助力，還形成了運(yùn)動的預(yù)設(shè)彈道。
哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)為蜜蜂機(jī)器人申請了專利
除了破解水表張力的難題之外，微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究者們還優(yōu)化了機(jī)翼設(shè)計(jì)。他們表示，蜜蜂機(jī)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(jī)器人。新設(shè)計(jì)允許機(jī)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(jī)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(jī)器人會飛不起來；頻率太高，機(jī)翼就會在水中折斷。結(jié)合理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員尋找到了機(jī)翼尺寸與振動頻率的黃金組合。新翅膀采用了多模式運(yùn)動設(shè)計(jì)，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(jī)器人的設(shè)計(jì)，新版蜜蜂機(jī)器人的有效載荷能力是第一代的三倍以上，這使得機(jī)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(jìn)化為一種多功能機(jī)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(jī)器人已成為微型機(jī)器人領(lǐng)域的一大成就，但它還未達(dá)到完美的境界。羅伯特·伍德表示，由于當(dāng)前的機(jī)載傳感器性能不足，運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)存在限制，蜜蜂機(jī)器人還不能從飛行狀態(tài)即刻推進(jìn)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(jī)器人在實(shí)驗(yàn)中依然還帶著導(dǎo)線進(jìn)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(yuǎn)程控制。
如今，蜜蜂機(jī)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(jī)器人卻讓我們有機(jī)會以一種非常豐富的方式探索這類現(xiàn)象。
哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)為蜜蜂機(jī)器人申請了專利，并正在探索商業(yè)化的契機(jī)。很明顯，經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)積累，蜜蜂機(jī)器人會成為一個持續(xù)不斷的項(xiàng)目，更高端的微型水陸兩用機(jī)器人即將走入人們的生活。
