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“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

本文作者:栗向滨 2015-10-14 11:43
导语:这些神奇又可爱的机器朋友,或许在未来战争中会成为超级间谍。

【编者按】本文作者@沐阳浸月,中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究生,主攻水下机器人。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

说起机器人,可能由于受名词中“人”字的影响,大部分人脑海里出现的可能要么是憨态可掬、动作灵活的小NAO机器人,要么是彬彬有礼、动作规范的ASIMO机器人,亦或是电影《人工智能》里有着和人一模一样的外表的大卫。其实,这些机器人都属于仿人机器人,这些机器人是模仿人的形态和行为而被设计与制造出来的,一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。

然而,除了仿人机器人,仿生机器人中有很大一部分是仿照我们人类的朋友——那些自然界的生物们,通过它们带给我们的灵感而制造出来的机器人。上篇我在雷锋网(公众号:雷锋网)的文章是主要探讨陆地仿生机器人,产生了不小的影响,有兴趣的朋友可以看看这篇文章:机器人界那些另类的朋友们 ,是怎么诞生的? 

而接下来我就向大家介绍一下我们那些出色的机器间谍们,本篇主要将介绍水、空仿生机器人。

1、机器鱼 

机器鱼,故名思议,外形像鱼的机器人。与传统的基于螺旋桨推进的水下潜器(AUV)相比,机器鱼实现了推进器与舵的统一,具有高效、高机动、低扰动等优点,从而更加适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中进行监测、搜索、勘探、救援等作业。

海洋生物经过长期的自然选择进化出了非凡的水下运动能力,效率高、速度快、机动性高。水下生物的推进方式有身体尾鳍 (body and/or caudal fin, BCF)推进模式,中间鳍对鳍 (median and/or paired fin, MPF)推进模式,喷射推进模式等:

  • 身体、尾鳍推进模式(BCF):采用这种模式游动的鱼类主要通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力,其瞬时游动的加速性能好,周期游动的巡航能力强。

  • 中间鳍、对鳍推进模式(MPF):这种方式主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力,其机动性能好。

  • 喷射推进模式:这种方式主要依靠腔体压缩喷水形成反作用力产生推进力。

大部分鱼类采用前两种推进模式。自从1994年MIT研制了世界上第一条仿金枪机器鱼 (Robotuna),开启了机器鱼研制的先河。国际国内对于机器鱼的研究大量涌现。各种形式的机器鱼、机器海豚不断被报导。它们采用了形式各异的机械结构和独特的控制方法。国外做的比较好的机构主要有麻省理工学院等,国内做的比较好的有中科院自动化研究所等。今年5月28日的《Nature》上,MIT的一款软体机器鱼由于其出色的性能而被综述文章《Design, fabrication and control of soft robots》(《软体机器人的设计、制造与控制》)收录并介绍,所以我以这款机器人为代表对机器鱼进行一下介绍。

MIT的机器鱼主要着眼于使机器人能够进行快速的逃避反应。

该机器人采用了符合真实鱼体的形态结构,其驱动部位装有嵌入式系统。该机器人具有一个新颖的流体驱动系统驱动身体运动,并且具有传统的机器人的所有子系统板载:电源,驱动器,处理器和控制器。这条机器鱼效仿除了真鱼类逃避反应,并采用C行启动控制,因为这样的游动需要快速加速身体并进行连续游动。通过实验,这条机器鱼可以在短短160毫秒内完成逃避反应。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

除了在水中如同鱼一般自由游动的机器鱼,还有一种生物,其既可以在水中游动,又可以在陆地上行走,那就是两栖机器鱼。

瑞士洛桑联邦理工学院的艾斯皮特及其合作者设计了一种机器蝾螈,并将其成果刊登在《Science》杂志。他们为机器蝾螈设计了6个脊柱枢纽、4个可转动的肢关节、10个马达,可令它模仿两栖动物S型的身体起伏模式。由电脑无线传输发送的电信号,可以调节机器蝾螈的行动速度、方向和步态类型。这一调控机制与脊椎动物神经中枢发送信号的过程相类似。这种控制方法也被命名为Central Pattern Generator(CPG,中枢模式发生器),成为很多仿生鱼类的控制方法,影响深远。仿生蝾螈的第二版被命名为Pleurobot,其在形态上则更加趋近于真实蝾螈,性能上也有所提升。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

2、机器水母

在上面的推进模式的介绍中,机器鱼主要采用前两种推进模式,而喷射推进模式则是大自然中水母采用的推进模式。喷水推进模式噪声和振动较小,比具有螺旋桨的船舶低7-10分贝。吃水浅、浅水效应小、传动机构简单、附件阻力小、保护性能好,而且日常保养及维护较为容易。同时相对于仿生机器鱼的体尾鳍推进模式和中间鳍对鳍推进模式相比,更加也有无半径转向以及平稳等优点。有这么多的优点自然也是科学家们争相模仿的对象。

说到一收一缩的喷射推进,人们首先想到的当然就是让制作机器水母的材料自己“抽搐”,所以在前期利用智能材料制作的仿生水母层出不穷,诸如SMA (shape memory alloy),IPMC (ionic polymer metal composite),EMA (electromagnetic actuation)以及复合材料等新型材料作为推进器屡见不鲜。但是由于智能材料形变量较小,所以后期便出现了利用机械材料制成的仿生机器水母。最有代表性的便是FESTO公司的AquaJelly。

AquaJelly是由一个半透明的半球和八个推进触角组成。在AquaJelly中心是一个水密激光烧结体。它安装一个中央电动机,两块锂离子聚合物电池,充电控制单元以及伺服电机。

相信看过其在水中漫游姿态的人都被他优美的“舞姿”深深折服。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

3、机器龙虾

机器龙虾是约瑟夫·艾尔斯为美国海军位于东北的海洋学中心研制的。 

机器龙虾拥有很高的灵活性,可用于探测水下矿藏。这只机器龙虾由一种特制的防水电池提供动力,它头部的两根长须是一种灵敏度极高的防水天线,能够感知障碍物,八条腿允许它们朝着任意一个方向移动,并都装配有防水传感器,爪子和尾巴则帮助它们在湍急的水流以及其它环境下保持身体稳定性,它的大脑则是一台超微型计算机。

它能够像真龙虾一样适应不规则的海底,在不同的深度敏捷地行动,并且可以灵巧地应付汹涌的波涛和变化的海流,躲避各式各样的海底礁石。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

4、机器螃蟹

机器螃蟹是一款型号为Crabster CR200的多节机器人,2013年由韩国海洋科学技术院和韩国内5所大学联合研发成功, 重约600公斤,是当今世界上个头最大的深水行走机器人,其外表和工作方式看起来就像是一只螃蟹。

Crabster CR200能够胜任诸如海底地貌勘测、水下管道架设等普通设备难以完成的工作,由4名人员驾驶,最多可以在200米深的海底进行工作。一次下水可以长时间在海底利用10个摄像头搜集各种视频资料,两个前腿还可以采集样品。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

相对于韩国庞大的机器螃蟹,日本Kondo公司的Hexapod六角机器人就小的多了,这台机器螃蟹由10.8V/800mAh的电池驱动,不仅可以通过传感器绕过障碍,还能做各种卖萌的动作。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

5、机器章鱼

一项由欧盟委员会资助的ICT-FET OCTOPUS项目,受到章鱼形态学的启发以及通过观察章鱼在游动时的特点,Michael Sfakiotakis和他的合作者设计了一种八臂的仿生机器章鱼,这八个臂的材质有两种,分别为柔性材料和刚性材料,可以像真实章鱼般完成划臂和振臂游动,其推动方式与水母类似,也为喷射式推进模式。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

6、机器蛇

读到这里,你可能要问,蛇不是陆地动物吗,怎么跑到水里来了?

其实我这里要介绍的这款机器蛇,是我看到他的视频后大呼精彩的一款两栖机器蛇,这款机器蛇由由日本制造,名为ACM-R5. 当你看到ACM-R5的时候可能你第一感觉它看有点像汤姆克鲁斯主演的那部《世界大战》那个惊悚的外星人的触角。

ACM-R5在不仅可以在水下相当自然地滑行,而且还能自如地爬行、攀登以及滚动,简直就是一只机器巨蛇。这只八公斤机器蛇是由一块锂电池供电,在此期间在远程操作者设定一个方向,而带有传感器的32位微处理器指导实际水下杂技和陆地地形决策。这款机器蛇将首先用在帮助定位地震等灾害的受害者等人道主义场景。但我相信,这款机器人被武器化也是必然趋势,绑几个炸弹,或者和士兵参与反恐战争都将成为它可能的用途。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

7、机器蝴蝶

接下来登场将是世界上重量级德国机器人公司FESTO的三款惊世骇俗的产品,第一个就是可以如同真实蝴蝶可以在空中偏偏飞舞的机器蝴蝶。它可以通过独立控制的翼来调整自己,并按照预编程的路线飞行。机器蝴蝶通体蓝色,每只翼展长度为50厘米,重量只有32克。其有两台电动机独立地驱动两只翅膀,装有一个IMU(惯性测量单元,检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号以及载体相对于导航坐标系的角速度信号,测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态),还有两个90毫安的聚合物电池。

机器蝴蝶机翼本身使用的是碳纤维骨架,并覆盖更薄的弹性电容膜。其每秒拍打1-2次翅膀,最高速度可达到2.5m/s,飞行3-4分钟就得充15分钟的电,所以续航力仍有待提升。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

8、机器蜻蜓

机器蜻蜓是德国FESTO研制的又一款新型机器人。它能够在空中任何方向颤振翅膀,并在空中盘旋,它采用四翼碳纤维折叠翅膀,每秒可拍打20次,我们还可以通过手机对其进行控制,并发送至难以抵达的区域。机器蜻蜓虽然自身的重量很轻,但是身上的传感器、制动器等硬件全都具备,因此能够以独特的方式飞行。

所有这些零件全都安装在一个紧凑的空间中,相互精准咬合在一起。机器蜻蜓翼展达63厘米,体长达到44厘米,重量为175克,个头比实际的蜻蜓稍大。

它与真实蜻蜓的相似之处在于,能够以任何方向飞行,并执行最复杂的飞行策略,且敏捷性很好。

机器蜻蜓的成功首先体现在有模型能够在直升机、普通飞机、甚至滑翔机的所有飞行条件下完成飞行任务。尽管其构造复杂,但其内部高度集成化的系统却能够通过智能手机来操控,操作简单,这一点十分令人赞叹。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

9、机器鸟

机器鸟是德国FESTO研制的又一款新型机器人,命名为SmartBird,它既能够模拟鸟类在天际滑翔,也能过极其逼真地扑动翅膀。这只机器鸟的灵感来源于鲱鱼银鸥,他的体重只有450克,两翼宽1.96公尺,可以按照杠杆原理上下拍动翅膀。还可以按照一定角度扭转身体、摇动尾巴和脑袋来改变方向。

机器鸟用料极少,机构也很轻,移动和拍翅方式与真鸟非常接近,在空中航飞行时很容易被认为是一致真正的鸟。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

10、机器蝙蝠

科学家从自然界获得灵感,萌发了研制机器蝙蝠的念头。而在微型飞行器领域(MAV),像蝙蝠这种做摇摆飞行的动物,是最有效果的微型飞行器。这个机器蝙蝠由北卡罗来纳州立大学的研究人员研制,其只有手掌大小,是用于侦察或者收集其他信息的绝好的微型飞行器。它的四肢处的关节用形状记忆合金做成,肌肉则用智能材料合金组成。这种合金具有超强的弹性,能够给机器人蝙蝠提供全系列的运动,而又总是能返回到原来的滑翔状态。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

11、机器苍蝇

机器苍蝇是以苍蝇为原型的仿生机器人。2013年5月,哈佛大学开发出世界上第一款机器苍蝇。机器苍蝇主体用碳纤维制成,体重只有80毫克,翼展3厘米。飞行时,它每秒振翅120次,频率几乎接近真苍蝇,快得肉眼根本无法看清,它还能在空中盘旋并沿着预先设好的路线加速飞行。

在实验室飞行测试中,机器苍蝇展示了稳定、可控的飞行性能,能连续飞行超过20秒。它飞行时的消耗功率大约19毫瓦,经折算与真苍蝇的消耗大体一致。

 “007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

美国五角大楼一直对有望成为“微型间谍”的机器苍蝇极为重视,自1998年这项研究刚刚开始时就一直大力资助。他们设想,机器苍蝇可以帮助军方完成侦察阿富汗山洞或是寻找伊拉克秘密武器等艰巨任务。

而在未来战争中,机器苍蝇甚至可以带上微型炸药,飞到敌方总部,将其指挥官炸死,或炸掉其指挥中心的所有仪器。总之,机器苍蝇将完成过去“007”远远完成不了的任务,成为名副其实的超级间谍。 

在未来的机器苍蝇身上,将安装大量传感器和微型摄像机,因此他们能做的事情还有很多。比如可以用来发现森林火灾,在灾难中搜寻废墟中的幸存者。在太空探索中,机器蝇也大有可为。在未来登上新星球后,机器苍蝇可代替航天员,在各种复杂条件下完成拍照、摄影、取样等工作。可以想象,随着机器苍蝇能力与稳定性的一步步提升,四旋翼无人机的日子估计也会变得不那么轻松起来。

12、总结

1936年科幻作家雷蒙德·格鲁恩发表在《新奇科幻》杂志上的《圣甲虫》中描述了一种圣甲虫机器人。格鲁恩写道:“圣甲虫摩擦着后腿,苍蝇不飞的时候也会这样。在感觉舒适的时候,它会展开翅膀上面鞘翅状甲片。发出嗡嗡的声音,不知情的人会误以为它真是一只甲虫……。”

经过上亿年的进化与演进,地球上的生物已经进化出一系列适应生存环境的身体结构与行为特点,能够在复杂多变的环境中生存,而我们的制造机器人的许多灵感也正来源于此。

“007”完成不了的任务,它们如何手到擒来?

在军事应用上,机器人需要解决的问题中隐蔽性是一个重要的能力。对于仿生机器人来说,由于其外形与真正的生物极其相似而且运动形态也十分相像,因此在对敌监察中可以完美地解决隐蔽性的目的。其实早在2007年,在一次反战示威活动上空盘旋着一群怪诞的飞行物,这招致人们对美国政府涉嫌秘密研发昆虫无人机的指责。官方的否认以及昆虫学家有关,并坚称它们实际是蜻蜓的说法,但这样都未能平息人们的猜测。

接下来的一年,美国空军揭开了昆虫大小间谍飞机的神秘面纱,声称它们“微小如大黄蜂”,难以被发现,并可飞入建筑物中“进行拍照,录音,甚至袭击抵抗分子和恐怖分子”。长期以来,美国国防部高级研究项目局一直在对纳米-仿生微型无人机的设计方案进行研究。研究人员现在研发出的仿生无人机,有虫子的眼睛,蝙蝠的耳朵,鸟的翅膀,甚至还有蜜蜂的绒毛等,以感知生物、化学和核武器。

虽然仿生机器人成为机器间谍的前景十分广阔,但是要想做到“随风潜入夜,侦察细无声”,真正突破防空网潜入侦察,它们还面临着重重难关:

难点一、续航力

由于机器间谍体形小巧,使其搭载的电池的体积和容量有限,导致其游动或者飞行时间航程较短以及有效载荷较小。未来使用燃料电池等下一代电池技术或利用机身天线接收地面传送的微波能量的方式能够扩展无人机的航程,但要成为真正的间谍无人机,还需要技术方面的突破。

难点二、保持航线

机器间谍体积小而速度低,几乎不存在惯性,很容易受到不稳定水流和气流的影响。在这种情况下如何保持其航线,并可执行操作人员的机动命令,是控制方面的一大挑战。

难点三、远距离通信

此外,机器间谍要执行侦察或间谍任务,机身必须搭载各种侦察传感器,如视觉系统、听觉系统及生化探测器等。这些都必须是超轻重量的微型传感器,因而部件小型化是传感器技术发展的关键。而且,一旦潜入水中或者飞到空中,机器间谍就必须保持与操作人员之间的通信联系,而无线信号在传播时候的衰减必须考虑,尤其是在水中,如何实现远距离通信也成为间谍未来发展道路上的主要挑战之一。

不过,仿随着科学技术的突飞猛进,也许数年之后,爬到你身边的蟑螂或飞进室内的苍蝇也许竟然是来窃听和窃照的间谍;也许当你听到落在窗前电线上的鸟儿在歌唱时,它可能就是一个正在把镜头对准你的机器人!

 细思极恐……

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专栏作者

中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究生毕业,机器学习与计算机视觉方向算法工程师。
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