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激光供电RoboFly苍蝇机器人

时间:2018-05-30     作者:文/Ellen Airhart 编译/李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2018年第六期   阅读

1989年,美国麻省理工学院的两名人工智能研究人员Rodney Brooks和Anita Flyn作出了一个恐怖的预言:“短短几年之内,利用数百万个微型机器人以合理的成本就能侵入一个星球。”在这篇名为《快速、廉价和失控——机器人入侵太阳系》的文章中,讨论了微型自主的“小昆虫机器人”可以很快成为用小钱办大事的有力武器。

将近30年之后,显然数百万的微型机器人还无法接管一个星球,至少像两人预见的情景还未发生。不过他们的确成功地预见到——现在全球已经有超过7亿部正在使用的苹果手机。此前,苍蝇般大小的机器人已经可以控制起飞、飞行、着陆等过程,比如美国哈佛大学工程和应用科学学院开发的微型飞行机器人RoboBee,这种昆虫般大小的机器人既可以游泳,也可以飞行,但前提都是需要机器人连接外部电源。

近日,华盛顿大学的机械工程教授Sawyer Buckminster Fuller,在5月23日澳大利亚布里斯班举行的机器人与自动化国际会议上宣布, 他的实验室已经让这种嗡嗡作响的机器人,摆脱了限制它们活动的电线。这种昆虫机器人被称为RoboFly(苍蝇机器人),其内部安有一块光伏电池——就是一块微型电池板,通过激光获取电能。

Fuller教授表示:“在此之前,昆虫大小的无线飞行机器人只会出现在科幻小说中。显然,我们的新型无线RoboFly更加贴近现实生活。”此次的研究中,Fuller教授遵循生物学原则,同时也意味着偏离人类最常用的发明——旋转运动。就像最现代的电子设备——电动机,就是依赖着某种旋转运动进行工作。

而另一方面,生物学经常涉及到更多的波动模式,比如抬起手臂做一个波浪动作,或是像一台纺纱机那样不停的转动。Fuller教授的机器人无需依靠波动或转动,它们拥有蜂鸟般快速扇动羽翼的能力。

在这项研究者中,Fuller教授实验室采用看不见的激光照射在苍蝇机器人上方的小型吸光芯片上,随后光转换成7伏特的电能,再下传至苍蝇本体电路,加强到240伏特带动翅膀。计算机科学与工程学院副教授Paul G. Allen,以及另一位研究人员Shyam Gollakota表示:“这是在不增加太多重量的情况下,快速向RoboFly传输大量电力的最有效方式。”

尽管小规模意味着人造的生物设计相比同等大小的发电机消耗更少的电能,可是目前还没有一款商用电池,能够产生足够电流供给飞行。“激光供电比美国插排电压更高,但其中只有1/4的电能被输入机器中,虽然这样的供电非常低能,但实际上机器人并不需要太多电能。”Fuller这样解释道。

为了让RoboFly能够控制自己的翅膀,工程师提供了一个大脑:他们在同一个电路中增加了一个微控制器。其实,微控制器就像是真实苍蝇的大脑一样,告诉翅膀的肌肉应该在何时发力。对于RoboFly而言,它会指挥翅膀“现在努力扇动”或“不要扇动”。具体来说,就是控制器发送波形电压来模仿真实昆虫翅膀的扇动。

第一作者、机械工程博士研究生Johannes James表示:“它利用脉冲产生波形,为了让翅膀快速地向前摆动,它会连续快速地发射一系列脉冲,然后在接近波的顶部时减慢脉冲。随后再反过来,使翅膀在另一个方向上平滑的摆动。”

研究人员Gollakota表示:“虽然RoboFly目前由激光束供电,但未来的版本可能使用微型电池或从无线电频率信号中获得电力。这样,它们的电源就可以根据特定的任务进行修改。而且未来RoboFly还可能会有更加先进的大脑和传感系统,帮助机器人自行导航和完成任务。”

虽然现在这种机器人不再需要连接电线供电,但并不意味着它们能够取代蜜蜂为苹果园授粉。操作中,激光一定要距离机器人不超过7英尺远的距离,这样才能供给足够的电能。RoboFly苍蝇机器人的重量仅为190毫克(比牙签稍微重一点)。它由一个红外激光器驱动,瞄准那个微小的光伏电池,它可以获得250mW。运行中,激光不会跟随机器人,所以一旦光伏电池移出光束范围,它就会失去动力,机器人将停止飞行。

所以,RoboFly可以通过天花板安装的激光器进行控制,激光器将随时随地追踪它,甚至可以将激光器安装在移动车辆(或其他机器人)上,它们就可以自由地跟随RoboFly并无限期地为其提供动力。光束不同于电线,会损害人的眼球,所以这些小机器人在短时间内还不能自由地扮演Johnny Appleseed(美国播种苹果传奇人物)。

目前,RoboFly还只能起飞和降落。一旦其电池不在激光的直射范围内,机器人就会逐渐耗尽电力并着陆。但是该团队希望很快能够引导激光,使RoboFly能够盘旋并飞得更远。机器人的未来应当实行监测、追踪污染泄漏,在小型限定的空间内,执行调查和营救的任务。

自然界在数百万年间不断演变,我们可以从自然界中学到很多。昆虫拥有4亿年的演变历史,或许机器人还需要更长的时间才能发展出梦想中入侵星球的微型机器人。

编译自《Wired》杂志

 (责任编辑 姜懿翀)


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