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| 本文作者： 栗向濱 | 2015-10-14 11:43 |
【編者按】本文作者@沐陽浸月，中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室研究生，主攻水下機器人。
說起機器人，可能由于受名詞中“人”字的影響，大部分人腦海里出現(xiàn)的可能要么是憨態(tài)可掬、動作靈活的小NAO機器人，要么是彬彬有禮、動作規(guī)范的ASIMO機器人，亦或是電影《人工智能》里有著和人一模一樣的外表的大衛(wèi)。其實，這些機器人都屬于仿人機器人，這些機器人是模仿人的形態(tài)和行為而被設(shè)計與制造出來的，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。
然而，除了仿人機器人，仿生機器人中有很大一部分是仿照我們?nèi)祟惖呐笥选切┳匀唤绲纳飩儯ㄟ^它們帶給我們的靈感而制造出來的機器人。上篇我在雷鋒網(wǎng)的文章是主要探討陸地仿生機器人，產(chǎn)生了不小的影響，有興趣的朋友可以看看這篇文章：機器人界那些另類的朋友們 ，是怎么誕生的？
而接下來我就向大家介紹一下我們那些出色的機器間諜們，本篇主要將介紹水、空仿生機器人。
1、機器魚
機器魚，故名思議，外形像魚的機器人。與傳統(tǒng)的基于螺旋槳推進的水下潛器（AUV）相比，機器魚實現(xiàn)了推進器與舵的統(tǒng)一，具有高效、高機動、低擾動等優(yōu)點，從而更加適合在狹窄、復(fù)雜和動態(tài)的水下環(huán)境中進行監(jiān)測、搜索、勘探、救援等作業(yè)。
海洋生物經(jīng)過長期的自然選擇進化出了非凡的水下運動能力，效率高、速度快、機動性高。水下生物的推進方式有身體尾鰭 (body and/or caudal fin, BCF)推進模式，中間鰭對鰭 (median and/or paired fin, MPF)推進模式，噴射推進模式等：
身體、尾鰭推進模式(BCF)：采用這種模式游動的魚類主要通過身體的波動和尾鰭的擺動產(chǎn)生推進力，其瞬時游動的加速性能好，周期游動的巡航能力強。
中間鰭、對鰭推進模式(MPF)：這種方式主要依靠胸鰭或腹鰭的擺動產(chǎn)生推進力，其機動性能好。
噴射推進模式：這種方式主要依靠腔體壓縮噴水形成反作用力產(chǎn)生推進力。
大部分魚類采用前兩種推進模式。自從1994年MIT研制了世界上第一條仿金槍機器魚 (Robotuna)，開啟了機器魚研制的先河。國際國內(nèi)對于機器魚的研究大量涌現(xiàn)。各種形式的機器魚、機器海豚不斷被報導(dǎo)。它們采用了形式各異的機械結(jié)構(gòu)和獨特的控制方法。國外做的比較好的機構(gòu)主要有麻省理工學(xué)院等，國內(nèi)做的比較好的有中科院自動化研究所等。今年5月28日的《Nature》上，MIT的一款軟體機器魚由于其出色的性能而被綜述文章《Design, fabrication and control of soft robots》(《軟體機器人的設(shè)計、制造與控制》)收錄并介紹，所以我以這款機器人為代表對機器魚進行一下介紹。
MIT的機器魚主要著眼于使機器人能夠進行快速的逃避反應(yīng)。
該機器人采用了符合真實魚體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動部位裝有嵌入式系統(tǒng)。該機器人具有一個新穎的流體驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動身體運動，并且具有傳統(tǒng)的機器人的所有子系統(tǒng)板載：電源，驅(qū)動器，處理器和控制器。這條機器魚效仿除了真魚類逃避反應(yīng)，并采用C行啟動控制，因為這樣的游動需要快速加速身體并進行連續(xù)游動。通過實驗，這條機器魚可以在短短160毫秒內(nèi)完成逃避反應(yīng)。
除了在水中如同魚一般自由游動的機器魚，還有一種生物，其既可以在水中游動，又可以在陸地上行走，那就是兩棲機器魚。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的艾斯皮特及其合作者設(shè)計了一種機器蠑螈，并將其成果刊登在《Science》雜志。他們?yōu)闄C器蠑螈設(shè)計了6個脊柱樞紐、4個可轉(zhuǎn)動的肢關(guān)節(jié)、10個馬達，可令它模仿兩棲動物S型的身體起伏模式。由電腦無線傳輸發(fā)送的電信號，可以調(diào)節(jié)機器蠑螈的行動速度、方向和步態(tài)類型。這一調(diào)控機制與脊椎動物神經(jīng)中樞發(fā)送信號的過程相類似。這種控制方法也被命名為Central Pattern Generator（CPG，中樞模式發(fā)生器），成為很多仿生魚類的控制方法，影響深遠。仿生蠑螈的第二版被命名為Pleurobot，其在形態(tài)上則更加趨近于真實蠑螈，性能上也有所提升。
2、機器水母
在上面的推進模式的介紹中，機器魚主要采用前兩種推進模式，而噴射推進模式則是大自然中水母采用的推進模式。噴水推進模式噪聲和振動較小，比具有螺旋槳的船舶低7-10分貝。吃水淺、淺水效應(yīng)小、傳動機構(gòu)簡單、附件阻力小、保護性能好，而且日常保養(yǎng)及維護較為容易。同時相對于仿生機器魚的體尾鰭推進模式和中間鰭對鰭推進模式相比，更加也有無半徑轉(zhuǎn)向以及平穩(wěn)等優(yōu)點。有這么多的優(yōu)點自然也是科學(xué)家們爭相模仿的對象。
說到一收一縮的噴射推進，人們首先想到的當然就是讓制作機器水母的材料自己“抽搐”，所以在前期利用智能材料制作的仿生水母層出不窮，諸如SMA (shape memory alloy)，IPMC (ionic polymer metal composite)，EMA （electromagnetic actuation）以及復(fù)合材料等新型材料作為推進器屢見不鮮。但是由于智能材料形變量較小，所以后期便出現(xiàn)了利用機械材料制成的仿生機器水母。最有代表性的便是FESTO公司的AquaJelly。
AquaJelly是由一個半透明的半球和八個推進觸角組成。在AquaJelly中心是一個水密激光燒結(jié)體。它安裝一個中央電動機，兩塊鋰離子聚合物電池，充電控制單元以及伺服電機。
相信看過其在水中漫游姿態(tài)的人都被他優(yōu)美的“舞姿”深深折服。
3、機器龍蝦
機器龍蝦是約瑟夫·艾爾斯為美國海軍位于東北的海洋學(xué)中心研制的。
機器龍蝦擁有很高的靈活性，可用于探測水下礦藏。這只機器龍蝦由一種特制的防水電池提供動力，它頭部的兩根長須是一種靈敏度極高的防水天線，能夠感知障礙物，八條腿允許它們朝著任意一個方向移動，并都裝配有防水傳感器，爪子和尾巴則幫助它們在湍急的水流以及其它環(huán)境下保持身體穩(wěn)定性，它的大腦則是一臺超微型計算機。
它能夠像真龍蝦一樣適應(yīng)不規(guī)則的海底，在不同的深度敏捷地行動，并且可以靈巧地應(yīng)付洶涌的波濤和變化的海流，躲避各式各樣的海底礁石。
4、機器螃蟹
機器螃蟹是一款型號為Crabster CR200的多節(jié)機器人，2013年由韓國海洋科學(xué)技術(shù)院和韓國內(nèi)5所大學(xué)聯(lián)合研發(fā)成功， 重約600公斤，是當今世界上個頭最大的深水行走機器人，其外表和工作方式看起來就像是一只螃蟹。
Crabster CR200能夠勝任諸如海底地貌勘測、水下管道架設(shè)等普通設(shè)備難以完成的工作，由4名人員駕駛，最多可以在200米深的海底進行工作。一次下水可以長時間在海底利用10個攝像頭搜集各種視頻資料，兩個前腿還可以采集樣品。
相對于韓國龐大的機器螃蟹，日本Kondo公司的Hexapod六角機器人就小的多了，這臺機器螃蟹由10.8V/800mAh的電池驅(qū)動，不僅可以通過傳感器繞過障礙，還能做各種賣萌的動作。
5、機器章魚
一項由歐盟委員會資助的ICT-FET OCTOPUS項目，受到章魚形態(tài)學(xué)的啟發(fā)以及通過觀察章魚在游動時的特點，Michael Sfakiotakis和他的合作者設(shè)計了一種八臂的仿生機器章魚，這八個臂的材質(zhì)有兩種，分別為柔性材料和剛性材料，可以像真實章魚般完成劃臂和振臂游動，其推動方式與水母類似，也為噴射式推進模式。
6、機器蛇
讀到這里，你可能要問，蛇不是陸地動物嗎，怎么跑到水里來了？
其實我這里要介紹的這款機器蛇，是我看到他的視頻后大呼精彩的一款兩棲機器蛇，這款機器蛇由由日本制造，名為ACM-R5. 當你看到ACM-R5的時候可能你第一感覺它看有點像湯姆克魯斯主演的那部《世界大戰(zhàn)》那個驚悚的外星人的觸角。
ACM-R5在不僅可以在水下相當自然地滑行，而且還能自如地爬行、攀登以及滾動，簡直就是一只機器巨蛇。這只八公斤機器蛇是由一塊鋰電池供電，在此期間在遠程操作者設(shè)定一個方向，而帶有傳感器的32位微處理器指導(dǎo)實際水下雜技和陸地地形決策。這款機器蛇將首先用在幫助定位地震等災(zāi)害的受害者等人道主義場景。但我相信，這款機器人被武器化也是必然趨勢，綁幾個炸彈，或者和士兵參與反恐戰(zhàn)爭都將成為它可能的用途。
7、機器蝴蝶
接下來登場將是世界上重量級德國機器人公司FESTO的三款驚世駭俗的產(chǎn)品，第一個就是可以如同真實蝴蝶可以在空中偏偏飛舞的機器蝴蝶。它可以通過獨立控制的翼來調(diào)整自己，并按照預(yù)編程的路線飛行。機器蝴蝶通體藍色，每只翼展長度為50厘米，重量只有32克。其有兩臺電動機獨立地驅(qū)動兩只翅膀，裝有一個IMU（慣性測量單元，檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號以及載體相對于導(dǎo)航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)），還有兩個90毫安的聚合物電池。
機器蝴蝶機翼本身使用的是碳纖維骨架，并覆蓋更薄的彈性電容膜。其每秒拍打1-2次翅膀，最高速度可達到2.5m/s，飛行3-4分鐘就得充15分鐘的電，所以續(xù)航力仍有待提升。
8、機器蜻蜓
機器蜻蜓是德國FESTO研制的又一款新型機器人。它能夠在空中任何方向顫振翅膀，并在空中盤旋，它采用四翼碳纖維折疊翅膀，每秒可拍打20次，我們還可以通過手機對其進行控制，并發(fā)送至難以抵達的區(qū)域。機器蜻蜓雖然自身的重量很輕，但是身上的傳感器、制動器等硬件全都具備，因此能夠以獨特的方式飛行。
所有這些零件全都安裝在一個緊湊的空間中，相互精準咬合在一起。機器蜻蜓翼展達63厘米，體長達到44厘米，重量為175克，個頭比實際的蜻蜓稍大。
它與真實蜻蜓的相似之處在于，能夠以任何方向飛行，并執(zhí)行最復(fù)雜的飛行策略，且敏捷性很好。
機器蜻蜓的成功首先體現(xiàn)在有模型能夠在直升機、普通飛機、甚至滑翔機的所有飛行條件下完成飛行任務(wù)。盡管其構(gòu)造復(fù)雜，但其內(nèi)部高度集成化的系統(tǒng)卻能夠通過智能手機來操控，操作簡單，這一點十分令人贊嘆。
9、機器鳥
機器鳥是德國FESTO研制的又一款新型機器人，命名為SmartBird，它既能夠模擬鳥類在天際滑翔，也能過極其逼真地撲動翅膀。這只機器鳥的靈感來源于鯡魚銀鷗，他的體重只有450克，兩翼寬1.96公尺，可以按照杠桿原理上下拍動翅膀。還可以按照一定角度扭轉(zhuǎn)身體、搖動尾巴和腦袋來改變方向。
機器鳥用料極少，機構(gòu)也很輕，移動和拍翅方式與真鳥非常接近，在空中航飛行時很容易被認為是一致真正的鳥。
10、機器蝙蝠
科學(xué)家從自然界獲得靈感，萌發(fā)了研制機器蝙蝠的念頭。而在微型飛行器領(lǐng)域（MAV），像蝙蝠這種做搖擺飛行的動物，是最有效果的微型飛行器。這個機器蝙蝠由北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員研制，其只有手掌大小，是用于偵察或者收集其他信息的絕好的微型飛行器。它的四肢處的關(guān)節(jié)用形狀記憶合金做成，肌肉則用智能材料合金組成。這種合金具有超強的彈性，能夠給機器人蝙蝠提供全系列的運動，而又總是能返回到原來的滑翔狀態(tài)。
11、機器蒼蠅
機器蒼蠅是以蒼蠅為原型的仿生機器人。2013年5月，哈佛大學(xué)開發(fā)出世界上第一款機器蒼蠅。機器蒼蠅主體用碳纖維制成，體重只有80毫克，翼展3厘米。飛行時，它每秒振翅120次，頻率幾乎接近真蒼蠅，快得肉眼根本無法看清，它還能在空中盤旋并沿著預(yù)先設(shè)好的路線加速飛行。
在實驗室飛行測試中，機器蒼蠅展示了穩(wěn)定、可控的飛行性能，能連續(xù)飛行超過20秒。它飛行時的消耗功率大約19毫瓦，經(jīng)折算與真蒼蠅的消耗大體一致。
在未來的機器蒼蠅身上，將安裝大量傳感器和微型攝像機，因此他們能做的事情還有很多。比如可以用來發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，在災(zāi)難中搜尋廢墟中的幸存者。在太空探索中，機器蠅也大有可為。在未來登上新星球后，機器蒼蠅可代替航天員，在各種復(fù)雜條件下完成拍照、攝影、取樣等工作。可以想象，隨著機器蒼蠅能力與穩(wěn)定性的一步步提升，四旋翼無人機的日子估計也會變得不那么輕松起來。
12、總結(jié)
1936年科幻作家雷蒙德·格魯恩發(fā)表在《新奇科幻》雜志上的《圣甲蟲》中描述了一種圣甲蟲機器人。格魯恩寫道：“圣甲蟲摩擦著后腿，蒼蠅不飛的時候也會這樣。在感覺舒適的時候，它會展開翅膀上面鞘翅狀甲片。發(fā)出嗡嗡的聲音，不知情的人會誤以為它真是一只甲蟲……。”
經(jīng)過上億年的進化與演進，地球上的生物已經(jīng)進化出一系列適應(yīng)生存環(huán)境的身體結(jié)構(gòu)與行為特點，能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中生存，而我們的制造機器人的許多靈感也正來源于此。
在軍事應(yīng)用上，機器人需要解決的問題中隱蔽性是一個重要的能力。對于仿生機器人來說，由于其外形與真正的生物極其相似而且運動形態(tài)也十分相像，因此在對敵監(jiān)察中可以完美地解決隱蔽性的目的。其實早在2007年，在一次反戰(zhàn)示威活動上空盤旋著一群怪誕的飛行物，這招致人們對美國政府涉嫌秘密研發(fā)昆蟲無人機的指責。官方的否認以及昆蟲學(xué)家有關(guān)，并堅稱它們實際是蜻蜓的說法，但這樣都未能平息人們的猜測。
接下來的一年，美國空軍揭開了昆蟲大小間諜飛機的神秘面紗，聲稱它們“微小如大黃蜂”，難以被發(fā)現(xiàn)，并可飛入建筑物中“進行拍照，錄音，甚至襲擊抵抗分子和恐怖分子”。長期以來，美國國防部高級研究項目局一直在對納米-仿生微型無人機的設(shè)計方案進行研究。研究人員現(xiàn)在研發(fā)出的仿生無人機，有蟲子的眼睛，蝙蝠的耳朵，鳥的翅膀，甚至還有蜜蜂的絨毛等，以感知生物、化學(xué)和核武器。
雖然仿生機器人成為機器間諜的前景十分廣闊，但是要想做到“隨風潛入夜，偵察細無聲”，真正突破防空網(wǎng)潛入偵察，它們還面臨著重重難關(guān)：
難點一、續(xù)航力
由于機器間諜體形小巧，使其搭載的電池的體積和容量有限，導(dǎo)致其游動或者飛行時間航程較短以及有效載荷較小。未來使用燃料電池等下一代電池技術(shù)或利用機身天線接收地面?zhèn)魉偷奈⒉芰康姆绞侥軌驍U展無人機的航程，但要成為真正的間諜無人機，還需要技術(shù)方面的突破。
難點二、保持航線
機器間諜體積小而速度低，幾乎不存在慣性，很容易受到不穩(wěn)定水流和氣流的影響。在這種情況下如何保持其航線，并可執(zhí)行操作人員的機動命令，是控制方面的一大挑戰(zhàn)。
難點三、遠距離通信
此外，機器間諜要執(zhí)行偵察或間諜任務(wù)，機身必須搭載各種偵察傳感器，如視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)及生化探測器等。這些都必須是超輕重量的微型傳感器，因而部件小型化是傳感器技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。而且，一旦潛入水中或者飛到空中，機器間諜就必須保持與操作人員之間的通信聯(lián)系，而無線信號在傳播時候的衰減必須考慮，尤其是在水中，如何實現(xiàn)遠距離通信也成為間諜未來發(fā)展道路上的主要挑戰(zhàn)之一。
不過，仿隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，也許數(shù)年之后，爬到你身邊的蟑螂或飛進室內(nèi)的蒼蠅也許竟然是來竊聽和竊照的間諜；也許當你聽到落在窗前電線上的鳥兒在歌唱時，它可能就是一個正在把鏡頭對準你的機器人！
細思極恐……
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