近日，賓夕法尼亞大學(xué)研究人員正在開發(fā)一項機器人動力技術(shù)，讓機器人像細(xì)胞生物一樣，自由自主的“覓食”和避險，而無需外部供能。通常，為移動機器人供能有兩個選擇：內(nèi)部儲能或外部收集，例如電池、太陽能電池板。但電池蓄能越多越笨重，太陽能電池板無法快速、持續(xù)供電。

　　因此，工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授詹姆斯·皮庫爾(James Pikul)與團隊一同研發(fā)環(huán)境控制電壓源(environmentally controlled voltage source;ECVS)，可有效彌合前兩種技術(shù)的缺陷，為移動機器人持續(xù)供能。

　　該研究發(fā)表于《高級智能系統(tǒng)(Advanced Intelligent Systems)》上，論文題目為《使用電磁法進行計算機自由自主導(dǎo)航和發(fā)電(Computer‐Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro‐Chemotaxis)》。

　　論文鏈接：https://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，研究靈感來自一種生物本能，那就是動物會通過尋找食物而獲得動力。

　　團隊研發(fā)的ECVS，正是能使機器人通過“找食物”而運動起來，不過“吃”的是金屬。

　　ECVS是一種有源電路元件，通過氧化還原作用產(chǎn)生自由電子，并從外表面的化學(xué)鍵中提取電能。因此，ECVS可以在沒有計算機的情況下為移動機器人提供動力。

　　就像一個簡單的生物一樣，這些ECVS驅(qū)動的機器人現(xiàn)在能夠?qū)ふ易约旱摹笆澄飦碓础?，盡管它們?nèi)狈Α按竽X”。

　　通過ECVS單元驅(qū)動雙輪，機器人表現(xiàn)出一種基本的導(dǎo)航和覓食能力，自動轉(zhuǎn)向它可以“吃掉”的金屬表面。

　　二、自主避險，像舌頭一樣感知、消化能量

　　他們的研究還概述了機器人無需中央處理器(CPU)即可實現(xiàn)的更復(fù)雜行為。

　　在ECVS單元的空間和順序排列不同的情況下，機器人可以根據(jù)食物來源的存在或不存在來執(zhí)行各種邏輯操作。

　　皮庫爾說，細(xì)菌能夠通過一種叫做趨化的過程自主地尋找營養(yǎng)物質(zhì)。趨化作用即生物對外界環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)刺激所產(chǎn)生的定向運動的反應(yīng)。在此過程中，它們能夠感知化學(xué)濃度的變化。

　　微型機器人與微生物有著相似的限制，無法攜帶大型電池和復(fù)雜的計算機。因此，皮庫爾團隊探索如何讓ECVS技術(shù)復(fù)制細(xì)菌這種趨化行為。

　　▲ A)螞蟻避免危險并跟隨食物獲取能量。B)合成模擬物的示意圖，由沿金屬燃料源導(dǎo)航，同時避免危險。C)移動機器人在沒有計算機的情況下沿著金屬燃料路徑行駛。

　　在實驗中，他們將機器人放在鋁表面上，從而為其ECVS單元供電，并且展示了ECVS單元如何讓機器人“避險”，并將其導(dǎo)航到電能更豐富的地方。

　　一是能避開轉(zhuǎn)彎處的絕緣膠帶。研究人員表明，如果機器人的EVCS單元連接到另一邊的車輪，它將自動沿著金屬鋁表面行駛，避開絕緣膠帶。

　　二是能避開粘性絕緣凝膠，機器人可以通過移動逐漸擦掉它。由于凝膠厚度與機器人的ECVS從其金屬中提取的功率直接相關(guān)，研究人員能夠證明機器人在轉(zhuǎn)彎時對此類環(huán)境信號做出了反應(yīng)。

　　通過“避險”，機器人能更自主、持久、順暢的移動。

　　皮庫爾說，在某些方面，它們就像舌頭一樣既能感知能量，又能幫助消化能量。

　　三、“爬行”于廢墟，自主機器人將更靈敏

　　通過了解ECVS單元可以獲取能量的類型，研究人員可以設(shè)計不同方案嵌入機器人中，以實現(xiàn)所需的導(dǎo)航類型。

　　皮庫爾說，將ECVS單元與電極相反的電機接線可以讓機器人避開他們不喜歡的表面。通過接線方式的不同，可以匹配機器人的“生物”偏好。

　　重要的是能夠區(qū)分危險且需要避免的環(huán)境，以及那些不方便且必要時可以通過的環(huán)境。

　　隨著ECVS技術(shù)的發(fā)展，它們可用于在自主、無計算機機器人中編程更復(fù)雜、更靈敏的行為。

　　通過將ECVS設(shè)計與機器人需要操作的環(huán)境相匹配，皮庫爾設(shè)想了小型機器人在廢墟或其他危險環(huán)境中爬行，在保護自身的同時將傳感器送到關(guān)鍵位置。

　　皮庫爾說，如果我們有不同的ECVS，這些ECVS適應(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)，我們就可以讓機器人避開危險的表面，通過那些提供動力的表面。

　　結(jié)語：微型機器人逐漸生物化

　　機器人學(xué)、人工智能和人工生命領(lǐng)域長期以來一直試圖模仿生物學(xué)的自主導(dǎo)航能力，最常見的是通過在計算機上運行的決策算法。

　　相比之下，活性膠體、微型游泳機器人和微型移動機器人可以在沒有計算機的情況下自主導(dǎo)航或遠(yuǎn)離環(huán)境吸引劑或危害，像細(xì)胞生物的感官一般，做出導(dǎo)航、覓食、避險等決策。

　　正如未來學(xué)家凱文·凱利在《失控》中預(yù)測的那樣：機器，正在生物化。