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

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。

△《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。“

△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。

△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。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf1628