智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
編譯 |?熊大寶
編輯 |?李水青
智東西4月3日?qǐng)?bào)道，近日，賓夕法尼亞大學(xué)研究人員正在開(kāi)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(wú)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?jī)?chǔ)能或外部收集，例如電池、太陽(yáng)能電池板。但電池蓄能越多越笨重，太陽(yáng)能電池板無(wú)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(kù)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）》。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000255
一、自主覓食，通過(guò)“吃”金屬來(lái)獲得能量
皮庫(kù)爾表示，研究靈感來(lái)自一種生物本能，那就是動(dòng)物會(huì)通過(guò)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(guò)“找食物”而運(yùn)動(dòng)起來(lái)，不過(guò)“吃”的是金屬。
ECVS是一種有源電路元件，通過(guò)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(méi)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(jiǎn)單的生物一樣，這些ECVS驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人現(xiàn)在能夠?qū)ふ易约旱摹笆澄飦?lái)源”，盡管它們?nèi)狈Α按竽X”。
通過(guò)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(wú)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(lái)源的存在或不存在來(lái)執(zhí)行各種邏輯操作。
皮庫(kù)爾說(shuō)，細(xì)菌能夠通過(guò)一種叫做趨化的過(guò)程自主地尋找營(yíng)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(guò)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(wú)法攜帶大型電池和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)。因此，皮庫(kù)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(méi)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(kāi)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(chē)輪，它將自動(dòng)沿著金屬鋁表面行駛，避開(kāi)絕緣膠帶。
二是能避開(kāi)粘性絕緣凝膠，機(jī)器人可以通過(guò)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(lèi)環(huán)境信號(hào)做出了反應(yīng)。
通過(guò)“避險(xiǎn)”，機(jī)器人能更自主、持久、順暢的移動(dòng)。
皮庫(kù)爾說(shuō)，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(guò)了解ECVS單元可以獲取能量的類(lèi)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(lèi)型。
皮庫(kù)爾說(shuō)，將ECVS單元與電極相反的電機(jī)接線(xiàn)可以讓機(jī)器人避開(kāi)他們不喜歡的表面。通過(guò)接線(xiàn)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(guò)的環(huán)境。
隨著ECVS技術(shù)的發(fā)展，它們可用于在自主、無(wú)計(jì)算機(jī)機(jī)器人中編程更復(fù)雜、更靈敏的行為。
通過(guò)將ECVS設(shè)計(jì)與機(jī)器人需要操作的環(huán)境相匹配，皮庫(kù)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(kù)爾說(shuō)，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(kāi)危險(xiǎn)的表面，通過(guò)那些提供動(dòng)力的表面。
結(jié)語(yǔ)：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(zhǎng)期以來(lái)一直試圖模仿生物學(xué)的自主導(dǎo)航能力，最常見(jiàn)的是通過(guò)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(méi)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(lái)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。
來(lái)源：Tech Xplore
