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研究人员利用活体甲壳虫 打造搜救机器人

来源:《软机器人》 添加时间:2017-12-20 20:09

近些年来,许多机器人都在忙着从动物身上取经,学习它们的敏捷、高效和各种技能。从某些能力上来看,有些机器人已经快追上动物了,不过我们依然在追逐完美的道路上不断前行。
 
研发人员有时会在机器人的设计中用到生物学(如许多长得像动物的仿生机器人),不过他们还有一种更直接的方式,那就是直接以生物为基础打造机器人。此前,我们就见识过在类似指导原则下打造的飞行昆虫(半机器半昆虫),但今天这款来自新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University,简称NTU)的机器甲壳虫则更加炫酷,它不但是世界上最小的机器昆虫,也是市面上可控性最强的产品。
 
 
以下是由Hirotaka Sato教授领导的新加坡研究人员在最近一篇论文中描述的他们的工作:
 
可以使用活昆虫作为开发活昆虫混合机器人的平台。这样的混合体保留了昆虫的刚性外骨骼、柔性关节和柔性致动器的复杂结构,以及昆虫的运动能力,同时具有高可控性和低功耗的特点。这种昆虫机器混合动力机器人是由一个活着的昆虫平台制成的,其上装有一个小型化的电子装置来控制它。通过将昆虫本身作为机器人,研究人员绕过了设计和制造机器人身体的复杂过程,使用昆虫的肌肉系统作为软驱动器和柔性关节以及作为控制系统的一部分的神经系统。
 
这种特殊的甲壳虫是一种黑暗的甲壳虫。它很小(2到2.5厘米),重量轻(约0.5克),并且能够存活三个月左右,这对于一个小虫子来说是很长的时间了。电子背包与甲壳虫的触角接触,当天线受到电脉冲的刺激时,它激活了甲壳虫的内置逃生机制,使它陷入了认为它正在进入某种东西并使其转向的东西。
 
这样做的好处(与直接的神经或肌肉刺激相反,研究人员也试验过),甲壳虫的大脑仍然负责控制其四肢,以便对高级别的控制作出反应自适应步态等,使运动更简单的问题来解决。只有两个纽扣电池,因此人类最多控制机器甲壳虫 8 小时,不过这也够它跑上整整一公里了。
 
使用这些方法来有效地控制昆虫的关键是对天线刺激的响应不能是二元的,因为你最终会得到一个通常太粗糙而无用的控制水平。通过改变刺激的频率,研究人员能够调节昆虫的转动速度:增加刺激频率也增加了昆虫的转动速度,成功率超过85%。有趣的是,如果同时刺激两根触须,甲壳虫就会倒退。
 
欲了解更多细节,IEEE Spectrum与Tat Thang Vo Doan进行了交谈,他是第一位在《软机器人》期刊上发表的关于这种控制论昆虫的论文。
 
IEEE科技纵览:您的生物机器人与过去曾经见过的其他控制生物学的昆虫有什么不同?如蟑螂、蜻蜓和大型甲壳虫等?
 
Tat Thang Vo Doan:电刺激通常用于蟑螂、巨型甲壳虫和蛾等电子人昆虫的神经肌肉刺激。还有其他一些小组正在研究天线刺激,但是他们无法对昆虫的反应进行评分,这对开发一个精确的闭环控制系统使得机器人虫自主工作非常重要。
 
我们的巨型机器人甲壳虫主要依靠对飞行控制的直接飞行肌肉的神经肌肉刺激和用于步行控制的前腿的腿部肌肉。理想情况下,刺激肌肉会更精确,因为我们可以完美地控制个人腿部,但是在植入和计算中花费更多,以计划和刺激所有个体肌肉进行步行。天线的刺激比刺激所有的肌肉更简单,更容易,因此可以帮助我们简化硬件和控制系统。希望在不久的将来,我们可以像任何其他人造电机一样精确地控制电子人甲壳虫。
 
与Draper的DragonflEye项目相比如何?
 
基于光神经刺激的机器人蜻蜓是曾经证明的最小的机器人昆虫。虽然光遗传学是一个热门技术,但它需要基因修饰。目前,我们不确定光遗传学是否能够精确控制昆虫的运动,因为没有太多的信息被发布。但是,我们希望电子人蜻蜓能够很好地工作,并且能够与其他电子人昆虫进行合作,进行未来的搜索和救援行动。
 
我们相信没有完美的机器人虫子他们每个人都有自己的优点和缺点。我们最好将它们一起用于协同救援行动,以尽可能提高效率。
 
你为什么决定使用这种特殊的昆虫?
 
我们使用Zophobas甲壳虫来开发这个机器人的昆虫,因为它的小尺寸(2-2.5厘米)将帮助它在灾难地点轻松访问小瓦砾系统,在蟑螂和巨型甲壳虫无法进入的灾难地点。此外,一群飞行而行走的各种规模的机器人昆虫会增加覆盖范围,缩短搜索时间,从而提高搜救行动的效率和准确性。
 
这些昆虫能够携带传感器吗? 在灾难情况下他们将如何被控制?
 
对于步行机器人的昆虫,我们能够将外部传感器集成到背包中,因为昆虫能够承载高达其两倍的重量。 我们正在开发一款集成了人体检测和导航传感器的背包。 这将有助于我们在灾难地点使用电子人昆虫时发现受害者,并使电子人昆虫自主工作。
 
对于一个灾难的情况,我们可以释放数以百计的飞行和爬行机器人昆虫的网站,一旦大规模生产一个机器人昆虫的价格将微不足道。昆虫可以自由移动进入倒塌的结构,并发回他们的位置和环境条件的地图,使救援队可以有效地计划他们的行动方式和地点,他们应该访问。一旦昆虫检测到受害者,就会向救援队发出警报,切换到自主控制模式,在受害者身边移动进行确认,并建立更清晰的周边环境地图。在营救行动结束时,所有的昆虫都会自动返回到控制基地。我知道这听起来像科幻小说,但我们实际上正在努力实现它。
 
你觉得这些生活机器人何时会对实际的实际应用有用?
 
根据目前人造板虫的进展情况,我认为在5年内我们将能够使用人造板虫进行一些实际的应用。当然,我不是指搜救任务,因为我们需要更多的时间。
 
你接下来做什么?
 
我们现在正在打造一套反馈控制系统,它是精确控制昆虫动作的可靠性保证。此外,我们还在为“背包”整合导航系统与环境传感器,未来机器昆虫也能像自动驾驶汽车一样完成任务。
 
对于真正的应用,我们需要维持电子人的昆虫(主要是电子背包)的电源供应,如果我们依靠电池,目前这是一个巨大的挑战。 因此,我们正在开发一种生物燃料电池,它能够将昆虫内部的生物燃料转换为电流来运行控制背包。 这将有助于保持长期使用的背包电源。

(责任编辑:许丁)

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