30年前,曾有研究者预测,几年内将会有数百万微型机器人借助低成本的优势占领地球快速移动。但多少年过去了,这个预测依然是个幻想。目前,不少大规模的飞行机器人已经掌握了升空、飞行、着陆等技能,但都受限于外部电源,至少到现在还没有太大进步。如今,研究者们正通过各种脑洞大开的方式,来为微型机器人寻找合适的动力源。
　　齐鲁晚报·齐鲁壹点　
记者　任志方　　　　　　　　　

使用机器人血液
作为电能和机械能
　　1989年,两位麻省理工学院的人工智能研究人员做出了一个大胆的预测。他们认为在短短的几年之内,数百万微型机器人或将借助低成本的优势占领地球。在这篇名为《快速,廉价和失控:机器人入侵太阳系》的论文中,两位研究人员认为,快速移动、微型自主的昆虫式机器人很快就会变得足够便宜,可以通过规模化解决问题。
　　三十年后,地球还没有被这种数以百万计的微型机器人所“接管”,至少不像论文中设想的那样。但快速移动,微型自动的昆虫式机器人仍然是一个梦想。不少大规模的飞行机器人已经掌握了升空、飞行、着陆等技能,但都受限于外部电源,至少到现在还是这样。
　　近日,有报道称,研究人员发明了一种由电池液驱动的机器鱼,这种液体被研发人员称为“机器血”。这个大约40厘米长的鱼型软体机器人并没有安装固体电池,而是由一种具有双重功能的液体所驱动,这种液体既可以储存能量,还能够移动机器鱼的鳍。
　　这种方法可以让机器鱼在一个更小的空间里储存更多的能量,且运行时间更长,同时还不需要笨重、复杂的电池组。研制该机器鱼项目组成员之一、美国康奈尔大学机器人专家表示,这项创新是朝着研制自主机器人迈出的重要一步——自主机器人可以在没有人工干预或指导的情况下完成任务。
　　研究人员在6月19日发表于《自然》杂志的一篇论文中描述了他们的机器鱼。目前,让机器人长时间自主活动是机器人技术面临的一个关键挑战。意大利圣安娜高级研究院比萨分校机器人专家说,自主机器人可以有无数的应用,比如执行搜索和救援任务以及开展深海探索。但一个最主要的问题便是能量储存,即机器人有足够的能量执行任务,而不需要进行充电。简单地添加电池会增加机器人的重量,导致它需要更多的能量用于移动自身。
　　为了解决上述问题,研究团队并没有使用传统的液压液——通常在机器周围循环以移动它们的部件,而是使用一种电池液为机器鱼提供动力,同时也为一个水泵提供动力以驱动鳍,进而让机器鱼游动。
　　研究团队展示的机器鱼长40厘米,由模压硅制成。机器鱼上有两个液压泵,每个液压泵由相互连接的锌-碘流动电池驱动。一个泵通过将液体从尾巴的一边移到另一边来移动尾巴,而另一个泵将储存在背鳍中的液体泵入相应的胸鳍。当然这种液压动力产生的速度也很慢。目前,机器鱼的移动速度为每分钟一个半身位长度,但这些都是早期的项目。
　　与拥有独立电池和液压系统的机器人相比,这种方法使机器鱼体内储存的能量增加了325%。研究小组计算显示,该机器鱼可以在不充电的情况下工作36个小时。
　　在软体机器人中使用液压技术并不是一个新概念,但将液压流体与额外的能源供应结合起来是一个新概念。使用这种“机器血”作为电能和机械能,鱼形机器人的质量显著降低,同时还增加了相对的能量负载。
　　这让人类向更好、更高效、自主的水上机器人又迈进了一步。流着机器血的机器人在海洋勘探、管道和海底电缆检查等方面的潜力是巨大的。灵活的、身体柔软的机器人可以在脆弱的环境中发挥重要作用。比如珊瑚礁这样的地形,在那里部署一个身体坚硬的机器人风险太大。
通过无线电磁场
让折叠机器人动起来
　　“机器血”仅是目前机器人动力来源探索的一个最新方向。除此之外,也有研究人员试图通过外部磁场来为机器人供电,以满足一些特定的使用场景。2017年,哈佛大学威斯康星生物启发工程研究所与该大学的工程与应用科学学院研究人员共同研发了一款不带电池的折叠机器人,它主要通过外部的无线电磁场来获得动力。
　　该折叠机器人外形轻薄,电路埋伏在由记忆合金金属制成的线圈中。这些附着在机器人身躯上的记忆合金起到了控制机器人运动的作用。就像人的肌肉一样,折叠机器人能够收缩和放松。当电流通过电路给线圈加热时,它们会受热而发生伸缩,当电流中断时,记忆合金线圈则被铰链拉伸回来。
　　至于供电部分,则是利用外置的无线充电线圈产生的磁共振效应为机器人产生电流,这一无线充电的技术同样能用在手机以及其他小型电子设备的充电中。
　　为了精准地控制机器人收缩运动,该研究团队在每个线圈单元中均设置了一个谐振器,经过调制后,这些谐振器只会对特定电磁频率产生反应。通过改变外部线圈产生的磁场频率,他们能够独立控制每个线圈的收缩,使得机器人能够进行不同幅度的运动。
　　项目负责人表示,该机器人不仅能够重复做伸缩运动,还能通过人为控制而实现更复杂的动作。为展示这一效果,该团队采用同样的材质制作了一个小型的机械手臂,通过电路的激活,该小型机械手臂能够左右弯曲并夹取棉花等微小物品。
　　这种脱离式的供电方式,使得机器人本身并不需要携带电池。目前的医疗手术中,大部分设备因电池而尺寸受到限制,而这些远程供电的折叠机器人可以突破这一障碍,将有可能在微创手术等方面提供很大帮助,例如取代手术上让患者难受的内窥镜,在被患者服下后,这个可移动的微型机器人可执行观察等简单任务。
无线微型飞行机器人
靠激光供电
　　此前,还有研究者试图用激光作为电源,来为机器人远程传输电能。去年5月,华盛顿大学推出了一款配置了微型光伏电池的飞行机器人。这个新型机器人配置了微型光伏电池——一个迷你太阳能电池板,能够从激光器中获取能量。
　　华盛顿大学机械工程教授富勒研发的这个机器人能够像蜂鸟一样飞行,要比等效电机耗电更少,但机器人仍然消耗大量电力。根据富勒的说法,市面上的电池无法为机器人飞行提供足够的动力,比如助听器的电池尺寸虽然合适,但电池容量太小。而激光器提供的电压高于美国电源插座的110V电压,而实际上仅有四分之一的能量能够传到飞行机器人上。富勒说:“这是一种非常低效的机器人供电方式,不过好在机器人不会耗费太多的电力。”
　　当然,采用激光器供电仅仅意味着机器人不再被电线所束缚,并不意味着它能够完全自由飞行。发出的激光必须距离机器人不到7英尺远,以便于提供足够的功率。另外,这种光束对人眼有害。
　　在实验室之外,昆虫大小的自主机器人可以证明和大型无人机一样实用。科学家们虽然难以很快解决供电问题,但这些微型机器人在短时间工作内仍然可以发挥作用。其可控性允许微型机器人执行较大机器人不适合的侦察任务。
　　未来,这类小型机器人可以跟踪监视,追踪污染物泄漏,或者在狭小空间内执行搜索和救援任务。