来战!超能陆战队中的微型机器人现已实现,3D打印多肢蜂群机器人可轻松跨越障碍物

3D打印动态
2021
10/19
22:12
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本帖最后由 warrior熊 于 2021-10-19 22:21 编辑

导读:在动漫《超能陆战队》中,热爱发明创造的天才少年小宏,曾发明了一种神奇的微型磁力机器人,它可以按照操作者的指令集体行动、随意变换成各种形状。但你恐怕想不到,现实中正在有科学家把它一步步变成现实。

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△《超能陆战队中》的微型机器人

2021年10月19日,南极熊获悉,来自圣母大学的研究人员已经成功地3D打印出了一种四条腿的蜂群机器人,它能够穿越复杂的地形并克服行进路径上的障碍。一直以来,圣母大学的机器人工程师和电子工程助理教授Yasemin Ozkan-Aydin都在尝试使用机器人模仿蚂蚁、蜜蜂和鸟类的集体行为来解决问题。

这项研究探讨了在单个机器人之间如何建立物理联系,并能够提高陆地腿部集体系统的机动性和能力。例如,如果一个机器人遇到了他们无法克服的障碍,其他机器人就会聚集在一起集体解决这个问题。

她说:"腿型机器人可以在具有挑战性的环境中前行,如粗糙的地形和狭小的空间,四肢的使用提供了有效的身体支持,实现了快速机动性,有利于跨越障碍。然而,腿型机器人在陆地环境中面临独特的移动性挑战,这导致运动性能下降。“

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△3D打印的四脚蜂群机器人。图片来自圣母大学。

受自然启发的蜂群机器人

研究人员越来越多地从自然界及其生物群的行为中获得灵感,以开发用于各种应用的空中和水下机器人技术。然而,开发这种具有穿越复杂地形和克服障碍能力的机器人具有挑战性。

特别是,一些研究人员试图绘制和模仿动物王国中那些自组织集体的行为,如蚁群、鸟群和鱼群。尽管是试图复制这种自然集体智慧,但他们的蜂群机器人往往是遥控的或GPS引导的,而不是自组织的。

早在2014年,作为CoCoRo(集体认知机器人)项目的一部分,3D打印被用于创建海洋环境的蜂群机器人。该项目有五所欧洲大学参与,最终产生了40个3D打印的迷你潜艇机器人,它们可以一起工作,执行复杂的任务。

最近,哈佛大学的一个研究小组在这一领域又向前迈进了一步,他们成功地3D打印了一群软体机器人鱼,能够在没有Wi-Fi或GPS的帮助下以复杂的模式游泳。这些机器人的自行组织的能力,可以使它们被部署在人类无法进入的海洋环境中进行生态监测。

目前,地面机器人群仅限于相对简单的环境,Ozkan-Aydin说这部分是由于缺乏运动能力来处理困难地形。因此,在2020年初,她开始进行研究和实验,以复制动物群落和羊群的自组织行为,以提高蜂群机器人的能力。

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哈佛大学的科学家们制造的仿生鱼型机器人具有摄像头和蓝色LED,帮助它们在水下导航。照片来自自组织系统研究小组。

3D打印蜂群机器人

Ozkan-Aydin的研究基于这样一个前提:单个机器人之间的物理连接可以提高整个系统的机动性和能力。从本质上讲,如果一项特定的任务超出了单个机器人的能力,如搬运物体,机器人将相互进行物理连接,形成一个更大的多腿系统,共同承担重量。

Ozkan-Aydin解释说:"当蚂蚁收集或运输物体时,如果一个蚂蚁遇到了障碍物,那么这个群体就会集体工作来克服这个障碍。例如,如果路径上有一个缺口,它们会形成一座桥,这样其他蚂蚁就可以走过去--这就是这项研究的灵感所在。通过机器人技术,我们能够更好地了解这些生物系统的动态和集体行为,并探索我们在未来如何能够使用这种技术。"

为了创建她的机器人群,Ozkan-Aydin使用一台3D打印机来生产低成本的四脚机器人,长度在15到20厘米之间。每个机器人都配备了一个锂聚合物电池、一个微控制器和三个传感器。除了前面的光传感器外,每个机器人的前面和后面都有两个磁性触摸传感器,以使它们能够连接到蜂群中的其他人。

据Ozkan-Aydin说,每个机器人都是用3D打印的,有四条灵活的腿,这使机器人具有一定程度的 "机械智能",减少了对额外传感器的需求。

她说:"你不需要额外的传感器来检测障碍物,因为腿部的灵活性可以帮助机器人直接越过它们。它们可以测试路径中的空隙,用它们的身体搭建桥梁;单独移动物体;或者在不同类型的环境中连接起来集体移动物体。"

蜂群机器人的测试

在3D打印每个机器人后,Ozkan-Aydin测试了机器人在草地、地膜和长毛地毯等地形上的能力,以及克服树叶和橡子等障碍的能力。她在刨花板上测试了机器人在平地上的能力,还用绝缘泡沫和木块建造了楼梯,作为粗糙的地形进行模拟实验。

当一个单独的机器人卡在一个障碍物上时,一个信号被发送到机器人群中的其他机器人。然后,它们通过磁性触摸传感器联系在一起,提供支持,并成功克服障碍物或有关地形。

虽然Ozkan-Aydin承认她的机器人群设计还有待改进,但她相信这项研究将有助于为低成本腿型机器人群的设计提供信息,使其能够适应未预见的情况。她预计,她的研究将有助于开发能够执行现实世界任务的蜂群机器人,如搜索和救援行动、运输物体、环境监测,甚至太空探索。

今后,Ozkay-Aydin将通过进一步探索蚂蚁和白蚁等昆虫的集体动力学,把研究重点放在改善蜂群机器人系统的控制、感应和动力能力上。在改进机器人内部的电池技术的同时,未来的工作将着眼于纳入更多的传感器和更强大的电机,同时保持其小尺寸。

她说:"对于功能性蜂群系统,电池技术需要改进。我们需要能够提供更多能量的小型电池,最好能持续10小时以上。否则,在现实世界中使用这种类型的系统是不可持续的。你需要考虑机器人在现实世界中如何运作,所以你需要考虑需要多少电力,你使用的电池的大小。一切都很有限,所以你需要对机器的每个部分做出决定"。

关于这项研究的进一步信息可以在《科学机器人》杂志上发表的题为:"Self-reconfigurablemultilegged robot swarms collectively accomplish challenging terradynamic tasks"的论文中找到。这项研究是由Y. Ozkan-Aydin和D. Goldman共同撰写的。

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