賓夕法尼亞大學(xué)研究人員正在開發(fā)一項(xiàng)機(jī)器人動(dòng)力技術(shù)，讓機(jī)器人像細(xì)胞生物一樣，自由自主的“覓食”和避險(xiǎn)，而無需外部供能。
通常，為移動(dòng)機(jī)器人供能有兩個(gè)選擇：內(nèi)部儲(chǔ)能或外部收集，例如電池、太陽能電池板。但電池蓄能越多越笨重，太陽能電池板無法快速、持續(xù)供電。
因此，工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授詹姆斯?皮庫爾(James Pikul)與團(tuán)隊(duì)一同研發(fā)環(huán)境控制電壓源(environmentally controlled voltage source;ECVS)，可有效彌合前兩種技術(shù)的缺陷，為移動(dòng)機(jī)器人持續(xù)供能。
該研究發(fā)表于《高級(jí)智能系統(tǒng)(Advanced Intelligent Systems)》上，論文題目為《使用電磁法進(jìn)行計(jì)算機(jī)自由自主導(dǎo)航和發(fā)電(Computer‐Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro‐Chemotaxis)》。
一、自主覓食，通過“吃”金屬來獲得能量
皮庫爾表示，研究靈感來自一種生物本能，那就是動(dòng)物會(huì)通過尋找食物而獲得動(dòng)力。
團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 ECVS，正是能使機(jī)器人通過“找食物”而運(yùn)動(dòng)起來，不過“吃”的是金屬。
ECVS 是一種有源電路元件，通過氧化還原作用產(chǎn)生自由電子，并從外表面的化學(xué)鍵中提取電能。因此，ECVS 可以在沒有計(jì)算機(jī)的情況下為移動(dòng)機(jī)器人提供動(dòng)力。
就像一個(gè)簡單的生物一樣，這些 ECVS 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人現(xiàn)在能夠?qū)ふ易约旱?ldquo;食物來源”，盡管它們?nèi)狈?ldquo;大腦”。
通過 ECVS 單元驅(qū)動(dòng)雙輪，機(jī)器人表現(xiàn)出一種基本的導(dǎo)航和覓食能力，自動(dòng)轉(zhuǎn)向它可以“吃掉”的金屬表面。
二、自主避險(xiǎn)，像舌頭一樣感知、消化能量
他們的研究還概述了機(jī)器人無需中央處理器(CPU)即可實(shí)現(xiàn)的更復(fù)雜行為。
在 ECVS 單元的空間和順序排列不同的情況下，機(jī)器人可以根據(jù)食物來源的存在或不存在來執(zhí)行各種邏輯操作。
皮庫爾說，細(xì)菌能夠通過一種叫做趨化的過程自主地尋找營養(yǎng)物質(zhì)。趨化作用即生物對(duì)外界環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)刺激所產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。在此過程中，它們能夠感知化學(xué)濃度的變化。
微型機(jī)器人與微生物有著相似的限制，無法攜帶大型電池和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)。因此，皮庫爾團(tuán)隊(duì)探索如何讓 ECVS 技術(shù)復(fù)制細(xì)菌這種趨化行為。
A)螞蟻避免危險(xiǎn)并跟隨食物獲取能量。B)合成模擬物的示意圖，由沿金屬燃料源導(dǎo)航，同時(shí)避免危險(xiǎn)。C)移動(dòng)機(jī)器人在沒有計(jì)算機(jī)的情況下沿著金屬燃料路徑行駛。
在實(shí)驗(yàn)中，他們將機(jī)器人放在鋁表面上，從而為其 ECVS 單元供電，并且展示了 ECVS 單元如何讓機(jī)器人“避險(xiǎn)”，并將其導(dǎo)航到電能更豐富的地方。
一是能避開轉(zhuǎn)彎處的絕緣膠帶。研究人員表明，如果機(jī)器人的 EVCS 單元連接到另一邊的車輪，它將自動(dòng)沿著金屬鋁表面行駛，避開絕緣膠帶。
二是能避開粘性絕緣凝膠，機(jī)器人可以通過移動(dòng)逐漸擦掉它。由于凝膠厚度與機(jī)器人的 ECVS 從其金屬中提取的功率直接相關(guān)，研究人員能夠證明機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)此類環(huán)境信號(hào)做出了反應(yīng)。
通過“避險(xiǎn)”，機(jī)器人能更自主、持久、順暢的移動(dòng)。
皮庫爾說，在某些方面，它們就像舌頭一樣既能感知能量，又能幫助消化能量。
三、“爬行”于廢墟，自主機(jī)器人將更靈敏
通過了解 ECVS 單元可以獲取能量的類型，研究人員可以設(shè)計(jì)不同方案嵌入機(jī)器人中，以實(shí)現(xiàn)所需的導(dǎo)航類型。
皮庫爾說，將 ECVS 單元與電極相反的電機(jī)接線可以讓機(jī)器人避開他們不喜歡的表面。通過接線方式的不同，可以匹配機(jī)器人的“生物”偏好。
重要的是能夠區(qū)分危險(xiǎn)且需要避免的環(huán)境，以及那些不方便且必要時(shí)可以通過的環(huán)境。
隨著 ECVS 技術(shù)的發(fā)展，它們可用于在自主、無計(jì)算機(jī)機(jī)器人中編程更復(fù)雜、更靈敏的行為。
通過將 ECVS 設(shè)計(jì)與機(jī)器人需要操作的環(huán)境相匹配，皮庫爾設(shè)想了小型機(jī)器人在廢墟或其他危險(xiǎn)環(huán)境中爬行，在保護(hù)自身的同時(shí)將傳感器送到關(guān)鍵位置。
皮庫爾說，如果我們有不同的 ECVS，這些 ECVS 適應(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)，我們就可以讓機(jī)器人避開危險(xiǎn)的表面，通過那些提供動(dòng)力的表面。
結(jié)語：微型機(jī)器人逐漸生物化
機(jī)器人學(xué)、人工智能和人工生命領(lǐng)域長期以來一直試圖模仿生物學(xué)的自主導(dǎo)航能力，最常見的是通過在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的決策算法。
相比之下，活性膠體、微型游泳機(jī)器人和微型移動(dòng)機(jī)器人可以在沒有計(jì)算機(jī)的情況下自主導(dǎo)航或遠(yuǎn)離環(huán)境吸引劑或危害，像細(xì)胞生物的感官一般，做出導(dǎo)航、覓食、避險(xiǎn)等決策。
正如未來學(xué)家凱文?凱利在《失控》中預(yù)測(cè)的那樣：機(jī)器，正在生物化。
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