智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 |?熊大寶
編輯 |?李水青
智東西4月(yue)3日報(bao)道，近(jin)日，賓(bin)夕法尼(ni)亞(ya)大學(xue)研究人員正在開(kai)發一(yi)項機(ji)器(qi)人動力技術，讓(rang)機(ji)器(qi)人像(xiang)細胞生物(wu)一(yi)樣，自由自主(zhu)的“覓食”和避險，而無需外(wai)部供能。
通常，為移動機器人供(gong)能有兩個選擇：內部儲能或外部收(shou)集(ji)，例(li)如(ru)電池(chi)(chi)、太(tai)陽能電池(chi)(chi)板。但電池(chi)(chi)蓄能越多越笨重，太(tai)陽能電池(chi)(chi)板無法快速、持續供(gong)電。
因此，工程(cheng)與應(ying)用力學(xue)系助理教授詹姆斯·皮庫爾（James Pikul）與團隊(dui)一(yi)同研發(fa)環境(jing)控制(zhi)電(dian)壓源(yuan)（environmentally controlled voltage source；ECVS），可有效彌合前(qian)兩種技術的(de)缺陷(xian)，為移動(dong)機器人持續(xu)供能。
該研究發表于《高級智(zhi)能系統（Advanced Intelligent Systems）》上，論文題目為《使用電(dian)磁法進行計算(suan)機自由自主(zhu)導航(hang)和發電(dian)（Computer‐Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro‐Chemotaxis）》。
論文(wen)鏈接：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000255
一、自主覓食，通過“吃”金屬來獲得能量
皮庫爾表示(shi)，研究(jiu)靈(ling)感來自一種生物(wu)本能，那就(jiu)是動物(wu)會通(tong)過(guo)尋找食物(wu)而獲得動力(li)。
團隊研發的ECVS，正是能(neng)使機(ji)器人通(tong)過“找(zhao)食物”而運動起來，不過“吃”的是金(jin)屬(shu)。
ECVS是一種(zhong)有源電路元件(jian)，通過氧化還(huan)原作用(yong)產生自(zi)由(you)電子，并從外表面的化學鍵中(zhong)提(ti)取電能。因此，ECVS可以在沒有計算(suan)機的情況下(xia)為移動機器人提(ti)供動力。
就(jiu)像一個簡單的生物一樣，這些(xie)ECVS驅(qu)動的機(ji)器人現在(zai)能夠尋(xun)找自己(ji)的“食物來源”，盡管它們缺乏“大腦”。
通過ECVS單元驅動雙輪(lun)，機器人表現出一種基本的(de)導航和覓食能力，自動轉向它可以“吃(chi)掉”的(de)金(jin)屬(shu)表面。
二、自主避險，像舌頭一樣感知、消化能量
他們的(de)研究還概述了機器人(ren)無需中(zhong)央處理器（CPU）即可實現的(de)更復(fu)雜行(xing)為。
在(zai)ECVS單元的空間和(he)順序排列不(bu)同的情況下，機器人可以根據食物來源(yuan)的存在(zai)或不(bu)存在(zai)來執(zhi)行各(ge)種(zhong)邏輯操作。
皮庫爾說，細菌能夠通過一種(zhong)叫做趨化的(de)過程自主地尋(xun)找營養物(wu)質。趨化作用即生物(wu)對外界(jie)環境中的(de)化學(xue)物(wu)質刺激(ji)所產生的(de)定向運動的(de)反應。在此過程中，它們能夠感知化學(xue)濃度的(de)變化。
微(wei)型機(ji)器人與微(wei)生物有著相似(si)的限制，無法攜帶大(da)型電池和復雜的計算機(ji)。因此(ci)，皮庫(ku)爾團隊探索如何讓ECVS技術(shu)復制細菌這(zhe)種趨化行為。
▲ A）螞蟻避(bi)免危(wei)險(xian)并跟隨食物獲取能量。B）合成模擬物的示意圖，由沿金屬(shu)燃料(liao)(liao)源導(dao)航，同時(shi)避(bi)免危(wei)險(xian)。C）移動(dong)機器人在沒有計算機的情況(kuang)下沿著金屬(shu)燃料(liao)(liao)路徑行駛(shi)。
在實驗中，他們將機器(qi)(qi)人放在鋁表面(mian)上，從而為其(qi)ECVS單(dan)元供(gong)電(dian)，并(bing)且展(zhan)示了ECVS單(dan)元如何讓機器(qi)(qi)人“避險”，并(bing)將其(qi)導航到電(dian)能更(geng)豐富的地方。
一是能避(bi)開轉彎處的(de)絕(jue)緣膠(jiao)帶。研究人員表明(ming)，如果機器人的(de)EVCS單元(yuan)連接到另(ling)一邊的(de)車輪，它將自(zi)動沿著(zhu)金屬鋁表面行駛(shi)，避(bi)開絕(jue)緣膠(jiao)帶。
二是能避開粘性絕緣(yuan)凝膠，機器(qi)人(ren)可以通過移(yi)動逐(zhu)漸擦掉它。由于凝膠厚度與機器(qi)人(ren)的ECVS從其金屬中提取的功率直接相(xiang)關，研究(jiu)人(ren)員能夠證明機器(qi)人(ren)在轉彎時對(dui)此類環境(jing)信號做出了反應(ying)。
通(tong)過“避(bi)險”，機(ji)器人能更(geng)自主(zhu)、持(chi)久、順暢的移動。
皮庫爾說，在某(mou)些方面，它們就像舌(she)頭一樣既能(neng)感知能(neng)量，又能(neng)幫助消化能(neng)量。
三、“爬行”于廢墟，自主機器人將更靈敏
通過了解ECVS單元可以(yi)獲取能量(liang)的(de)類型，研究人員可以(yi)設計不同(tong)方案嵌入(ru)機器人中，以(yi)實現所需的(de)導航類型。
皮庫爾說，將ECVS單元與電極相(xiang)反的電機(ji)(ji)接(jie)線可以讓機(ji)(ji)器人(ren)避(bi)開(kai)他們不喜(xi)歡的表面。通過接(jie)線方(fang)式的不同，可以匹配機(ji)(ji)器人(ren)的“生(sheng)物(wu)”偏好。
重要(yao)(yao)的(de)是能夠區分危險且(qie)需要(yao)(yao)避免的(de)環境(jing)，以及那些(xie)不方便且(qie)必(bi)要(yao)(yao)時可以通過的(de)環境(jing)。
隨著ECVS技術的發(fa)展，它們可用于在(zai)自(zi)主、無計算機機器人中編程更復雜(za)、更靈(ling)敏的行為(wei)。
通過將(jiang)ECVS設計與機器(qi)人(ren)需(xu)要操作的環境相(xiang)匹(pi)配，皮庫爾設想了小型機器(qi)人(ren)在廢墟或其他危險環境中爬行，在保護自身的同時(shi)將(jiang)傳感器(qi)送到關(guan)鍵位(wei)置。
皮(pi)庫爾(er)說(shuo)，如果(guo)我們(men)有不同(tong)的(de)ECVS，這(zhe)些(xie)(xie)ECVS適應不同(tong)的(de)化學物質，我們(men)就可以讓機器人避(bi)開危(wei)險(xian)的(de)表(biao)面，通過那(nei)些(xie)(xie)提供動力的(de)表(biao)面。
結語：微型機器人逐漸生物化
機器(qi)人(ren)(ren)學、人(ren)(ren)工(gong)智能和人(ren)(ren)工(gong)生(sheng)命領域長(chang)期以來一直(zhi)試圖模仿(fang)生(sheng)物學的(de)自主導(dao)航能力，最常見的(de)是通過在計算機上運行的(de)決策算法。
相比之下，活性膠體、微(wei)型游泳(yong)機(ji)器人(ren)(ren)和微(wei)型移動機(ji)器人(ren)(ren)可以在沒(mei)有計算機(ji)的情況下自(zi)主導(dao)航或遠離環境吸引劑(ji)或危害，像(xiang)細(xi)胞生物的感官一般，做出導(dao)航、覓食、避險等決策。
正(zheng)如未來學家凱文·凱利在(zai)《失控》中預測的那樣：機器，正(zheng)在(zai)生(sheng)物(wu)化(hua)。
來源：Tech Xplore
