随着科研机构的发力攻关,如今,机器人已经内置越来越多的先进功能,例如高清摄影、触摸感应、雷射测距等智能应用。而机器人领域之所以有巨大的进步,主要是因为芯片和电池技术的革命。随着芯片、电池和感应器的尺寸越来越小,机器人的体积也在发生变化。机器人的体型能做到多小?在中国,2厘米的昆虫机器人已实现脱线可控爬行,来到了人们的身边。
小身躯,大科技
近日,北京航空航天大学(以下简称北航)科研团队历经多年研究,在国际学术期刊《自然·通讯》发表了新成果——仿生昆虫机器人BHMbot。这款昆虫机器人身长2厘米、宽1厘米、重1.76克,垂直投影面积仅两个指甲盖大小,尺寸虽小,可“五脏俱全”。
“在机器昆虫内,我们植入了能源、控制、通信和传感系统。”北航科研团队成员、北航助理教授刘志伟称,动力系统是机器人的心脏。普通机器人通常靠电动机驱动,微型机器人内部空间不足以承载大容量电池,往往需外接通电线持续供电,其自由移动因此受限。该团队开发出基于直线式驱动、柔性铰链传动的新型动力系统,让微型机器人成功摆脱电机与外接电线。
其中,直线式驱动器将“体内”小型电池输入的电能转化为机械能,并向外输出机械振动;柔性铰链传动机构,将机械振动转换为昆虫机器人腿部的周期振动,进而带动整个机体实现高频弹跳运动。“通俗讲,‘体内’微型电池促使一旁的磁铁振动,再带动腿部关节运动。”刘志伟说。细看BHMbot,它可以通过电动马达所连接的齿轮,精确推动车轮、腿和手臂运动,就像肌肉推动肢体的动作一样。
据悉,为了让昆虫机器人实现高度仿生,北航科研团队还设计了仿生奔跑步态,通过步频和步幅的自适应调节,可实现高载重下快速爬行和运动轨迹精确控制。研究人员只需要在移动终端发送指令,该昆虫机器人就能在桌面上前进、后退、转弯或者沿着圆形路线转圈,甚至能在无线遥控下穿越一堆石块障碍。
值得一提的是,BHMbot能够在负载5.5倍自身质量重物后实现快速爬行,且能够维持25倍身长每秒(约50厘米每秒)的速度。这在国内外脱线机器昆虫中,处于性能领先地位。
竞争日趋激烈
之所以将微型机器人做成昆虫形态,是因为当机器人的尺寸下降到厘米甚至毫米级别时,腿式运动的效率更高,运输成本更低。即同等能量下,腿式驱动爬行的路程比其他形态更远。
“我们的昆虫机器人采用仿生奔跑步态,它的速度随载重呈现先增后减的趋势,这意味着在一定条件下其负载速度甚至可以超过空载速度。”北航能源与动力工程学院院长闫晓军说。
当前,全球在前沿技术领域的竞赛日趋激烈。昆虫机器人的相关技术,也成为美欧顶尖高校实验室的重点攻克对象。而北航在微型机器昆虫领域处于技术第一梯队,BHMbot的零部件和技术也都是自主研制。
作为对比,2023年康奈尔大学研制出长29毫米、重1.6克、能够垂直跳跃59厘米、负载自身重量22倍物体进行爬行的机器昆虫,但它依靠气体之间的爆炸来提供动能,所以存在自燃风险,并且该机器昆虫没有实现脱线作业。在脱线昆虫领域,以哈佛大学2020年的HAMR-Jr机器昆虫为代表,其体长2.25厘米,重约0.3克,速度约30厘米每秒。相较于HAMR-Jr,BHMbot的体积更小,速度更快,负载更强。
对比目前的国际先进微型机器人,闫晓军对自己的科研成果信心十足。他称:“一般的机器昆虫往往做得很大,在4厘米以上,一些场景和空间无法进入……”
“成群结队”
现阶段,BHMbot昆虫机器人仍停留在实验室研究阶段,闫晓军预计3到5年内,昆虫机器人能达成大型机械装备的检修检测和灾后救援的重要应用。
据北航科研团队介绍,目前BHMbot已经完成求救信号采集验证,可以模拟灾后搜救的场景。在模拟场景中,BHMbot能够穿过石头等障碍物后到达倒塌房屋附近,然后采集房屋内部发出的求救信号并将其回传至控制端,从而精确定位救援场景,分析救援路径。
凭借体积小、机动性高的特点,BHMbot未来还可以携带图像采集模块进入发动机内部开展结构损伤的检测,这能够弥补现有机械装置出现故障后,人类通过目视检测和孔探检测可达性不足的缺陷。
目前,BHMbot已实现在航空发动机内部曲面结构上的脱线可控爬行——小小的昆虫机器人爬进发动机内部,能看到更多过去看不到的地方,并将录像实时传回手机屏幕,帮助工程师提前发现机械故障。
从更长远的角度看,在昆虫机器人的小型芯片上搭载人工智能技术,以及实现群体机器人协作,也将是探索方向。群体机器人运用先进的分散式运算能力,让成群的机器人自我组织、解决问题,透过彼此协调,进行搜救或制造,可达到惊人的效果。
值得注意的是,群体机器人协作的细分领域已有进展。早在2014年,美国哈佛大学研究人员就组织起了史上最大的机器人集群,他们使用美元一分钱大小的1024具微型机器人,让它们能够找到彼此、互相合作,组成各种复杂的形状。
设想一下,在灾后救援中,通力合作的机器人分工合作,收集受害者的信息资料,并及时汇总伤亡情况,必将能极大缩短救援时间,提高救援精度。展望未来,可以预见机器人“无所不在”的前景,更加智能的机器人将在工业、军事、医疗和家庭生活中,帮助人类解放双手、提升效能。
(《瞭望东方周刊》总第910期 陆玉新)