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NTU用活体甲壳虫打造搜救机器人,它到底牛在哪里?

NTU用活体甲壳虫打造搜救机器人,它到底牛在哪里?

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。

在一篇论文中,该研究小组对他们的新作品进行了详细的介绍,下面一段就是他们的核心观点:

“将活体昆虫当成平台来开发活生生的混合型机器人是绝对可行的。这样的机器人不但能保留昆虫坚硬的外骨骼、柔性关节、柔性致动器和运动能力,还能提升产品的操控性并降低功耗。研究人员会以活体昆虫为平台,在它身上加装微型电子设备对其进行控制。这样的解决方案让研发者直接跳过了复杂的机器人本体设计,同时昆虫的肌肉系统成了柔性致动器,而神经系统则成了控制系统的一部分。”

通过比较,研究人员最终选择了黑甲虫,它体型小(2-2.5 厘米)重量轻(0.5 克),可以存活三个月左右,在昆虫界黑甲虫已经算是长寿的了。随后,研究人员会给黑甲虫背上一个“背包”,这个电子元器件会通过天线连上甲虫的触须。当天线发出电子脉冲时,就会激活昆虫自己的躲避机制,逼迫昆虫赶紧转向。

这样的做法(与那种直接控制昆虫神经或肌肉的做法恰恰相反)有自己的优势,即甲壳虫的灵魂并没有被人完全的夺走,它还能通过自己的大脑控制肢体,这样一来机器人的运动能力就变得更强了。由于“背包”里只有两颗纽扣电池,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。

那么,想利用这些方式高效的控制甲壳虫,关键是什么呢?答案是天线刺激不可采用二进制,因为这样的控制命令过于粗糙,几乎不可用。通过改变刺激的频率,研究人员就能调节甲壳虫的运动幅度。此外,提升频率后甲壳虫转弯的可能性就会提高,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。

为了获得更多相关细节,IEEE Spectrum对论文的第一作者Tat Thang Vo Doan进行了采访,雷锋网进行了不改变原意的编译,采访全文如下:

IEEE:你们的活体甲壳虫机器人与此前出现的机器蟑螂等产品有什么不同?

Tat Thang Vo Doan:电刺激其实早已广泛应用在机器昆虫中了,有许多公司都在搞天线刺激技术,不过它们暂时无法控制昆虫的响应程度,而这对精准闭环控制系统的构建至关重要,毕竟没有它,机器昆虫就无法自主完成工作。

我们控制机器甲壳虫飞行和走路主要靠神经肌肉刺激。理想状态下,我们能完美的控制甲壳虫每条腿的动作幅度,但这样的目标实现起来计算和模拟的工作量都非常大。天线刺激更加简单,因为它不用分别刺激昆虫的每一条肌肉,因此能简化硬件和控制系统。在不久的将来,希望我们能达到理想状态。

IEEE:它能与Draper的蜻蜓计划一较高下吗?

Tat Thang Vo Doan:基于光基因技术的机器蜻蜓采用神经刺激方法,确实是展示过最小的机器昆虫。虽然光基因技术相当火热,但它需要转基因处理,因此我们无法确定这种技术能否实现对昆虫动作的精确控制。不过,我们希望Draper的机器蜻蜓能一飞冲天,未来与其他机器昆虫一起担负起搜救任务。

在我们看来,世界上没有完美的机器昆虫,它们都有各自的优劣之处。未来,最好它们能通力合作,取长补短,在搜救行动中更高效的完成任务。

IEEE:为什么要选择黑甲虫?

Tat Thang Vo Doan:首先还是因为它的体型,在灾害现场,这种小家伙能到达任何地方,而蟑螂或巨型甲虫可能就会被卡住。此外,与其他不同体型的机器昆虫共同使用,就能扩大搜索覆盖率并提升救援精度和效率。

IEEE:这样的小家伙怎么携带传感器?远距离还能控制吗?

Tat Thang Vo Doan:我们可以将内置传感器整合进它的“背包”中,要知道昆虫可以背动它自身两倍重量的物体。此外,我们正在开发方便人类探测和导航的新型背包,在灾区穿行的机器甲壳虫能利用背包帮救援人员尽快发现生命,同时背包还能让它们自主完成搜救任务。

如果灾情严重,我们可以释放上百个飞行或爬行的机器昆虫(大规模量产后机器昆虫价格会大幅下降)。机器昆虫可以自由的在坍塌的建筑中穿行,并回传它们所处位置的地图与环境状况,这样一来救援队就能更精准的制定救援计划,毕竟救灾时时间就是金钱。

一旦机器昆虫在废墟中发现生命迹象,它会向救援队发送紧急信号,随后切换到自动控制模式,在受伤者周围兜圈圈来确认并绘制周边环境的地图。救援行动结束后,所有的机器昆虫都会自动返回控制中心。虽然听起来像科幻小说,但我们确实在努力将它变成现实。

IEEE:这样的机器昆虫什么时候才能实地应用呢?

Tat Thang Vo Doan:从现在的进度来看,我认为五年内它们就能派上用场了。当然,这里说的并非执行搜救任务,这难度还算是有点大。

IEEE:你们下一步要做什么?

Tat Thang Vo Doan: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。

在现实应用中,我们得保证机器昆虫的能源供给,如果只靠电池,挑战可是相当巨大。因此,我们正在开发生物燃料电池,它能将昆虫体内的生物燃料转化成电能来驱动“背包”。

作者:大壮旅。本文转自雷锋网,如需转载请至雷锋网官网申请授权。

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