机器人技术

机器人蜜蜂

成千上万只昆虫大小的飞行机器人,共同完成任务以实现一个共同目标:同时挑战机械,电子和计算机。

罗伯特·伍德(Robert 木),拉迪卡·纳格帕(Radhika Nagpal)和顾孤妍 科学档案N°87
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一种神秘的邪恶,“蜂群崩溃综合症”,开始消灭全世界的蜂箱。但是,这些昆虫是许多栽培植物的传粉媒介,它们的衰落加剧了人们对农业遭受痛苦的恐惧。如果不解决他们的消失,我们想知道如果发生了该怎么办。探索的途径之一是使用人造设备:机器蜜蜂!

实际上,自2009年以来,我们就与哈佛大学和东北大学的同事一起着手创建了一个机器人蜂群。我们的目标是雄心勃勃的。我们正在开发模仿单个昆虫活动的机械蜜蜂(RoboBees),同时也促进了殖民地中数千只相互作用的蜜蜂的集体行为的出现。换句话说,我们正在寻求繁殖蜂箱……减少蜂蜜!

这项任务似乎是不可能的,因为蜜蜂是经过数百万年的进化而形成的,这些进化使这些昆虫成为了奇妙的飞行“机器”。一只蜜蜂能像硬币一样大小地飞行数小时,即使在暴风雨中也要徘徊,寻找花朵,避免掠食性动物……用机器人做同样的事情确实是一个挑战!

考虑一个蜂箱。蜂群似乎没有统治者或中央权威。然而,成千上万只蜜蜂明智地将工作划分为一些基本任务。当蜂巢中的花粉用完时,就会有更多的蜜蜂寻找食物。当需要维护蜂巢时,蜜蜂不会出来照顾它;在发生干扰(例如入侵)的情况下,蜜蜂会迅速适应。如此庞大的殖民地如何在没有集中的情况下如此迅速地做出这些复杂的决定,并避免沟通不畅的风险?

一群没有领导者

机器人蜂巢除了为花朵授粉外,还可以做更多的事情。小型,灵活,简单和廉价的机器人比少数高性能机器人更有效地执行各种任务。

因此,想象一下一个救援人员,该人员配备了一个装有1000只机械蜜蜂的盒子(这只蜂群的重量不到一公斤)。这些机器人蜜蜂可能会掉落在遭受地震破坏的地点,以寻找热量,声音或二氧化碳,这些迹象都表明存在幸存者。即使这些机器人中只有三个能够完成其任务,该群体也将实现其目标。当前一代的救援机器人却不是这样,它们更笨重,更昂贵!

但是,建立一个飞行微型机器人殖民地需要克服许多挑战。这些机器人的测量高度不能超过几厘米,重量也不能超过半克:这比当今最轻的自动飞行装置少100倍。这些微型机器人中的每一个都必须带有飞行系统,电子大脑,视觉设备以及控制其与他人互动的控件。材料科学,传感器科学和计算机科学的最新进展使这些目标得以实现。

创建飞行微型机器人的第一个挑战是使其飞行。在过去的十年中,机器人小型化的持续改进不是很有帮助,因为机器人蜜蜂的体积小会改变游戏中作用力的性质,表面力(例如摩擦力)开始占主导地位。例如重力或惯性。这种规模问题不包括用于大型机器人的大多数常用机械装置(旋转轴承,齿轮,电磁马达等)。

我们设计了一种蜜蜂,而不是旋转电机和齿轮,它的解剖结构与飞虫的解剖结构非常相似:我们机器的机翼由人造肌肉提供动力。我们的装置使用两种类型的“肌肉”,它们作用于机翼和身体之间的关节。相对较大的动力致动器使机翼-胸腔机构摆动以拍打机翼,而较小的控制致动器则微调机翼运动以产生用于飞行控制和操纵的扭矩。

人造肌肉由压电材料制成,当它们的厚度受到电张力时会收缩。这些执行器有一些缺点(它们需要高电压且易碎),但是在这种情况下,“比例效应”的物理性质就在我们这一边。实际上,这些致动器越小,它们移动得越快。而且,由于每个周期(和每个单位质量)所传递的功量大致保持恒定,因此节拍越快,功率越大。实际上,这些肌肉的力量可与类似大小的昆虫的肌肉相媲美。

我们已经试验了数十种不同的执行器和关节配置。由于机器人蜂箱需要大量生产,因此我们尤其要寻求在实践中实现这一目标的难易程度。

我们最好的坯料是基于三层结构的三明治:两块硬板包裹着一层聚合物薄膜。我们通过从顶层和底层切割固体材料来创建接头,这允许聚合物的中间层弯曲,从而创建了挠性接头。

我们在建造像蜜蜂一样大小的机器人方面取得了良好的进展,但是我们正在努力改善其操作方式。为了克服这种小规模飞行的强大能量约束,机器人的大部分质量必须专门用于主执行器和电源(尽管我们可以想到“电池”或“电池”,我们还在研究使用基于固体氧化物的微型燃料电池的可能性。这个能源问题就像一个恶性循环:大型动力装置存储更多的能源,但需要更大的推进系统来补偿重量的增加,而重量的增加又需要能源。甚至更多的能量。

尽管我们还无法利用自身的能量使蜜蜂飞起来,但我们已经展示了100毫克的微型机器人可以产生足够的推力来起飞(我们将其与外部能源挂钩) 。蜜蜂还可以通过主动和被动机制的结合来稳定自己。利用电池能量密度方面最先进的技术,并考虑到人体所有组件的效率,我们估计飞行时间不会超过几十秒。为了增加持续时间,我们正在尝试减少每个机器人组件的质量并提高其效率。

脑部问题

能量不是唯一的限制因素。另一个问题是车载电子大脑。在野外,机械蜜蜂必须不断评估其周围环境,确定最佳行动方案,并控制其飞行机制。外部电子设备可作为实验室的备用设备,但工作中的蜜蜂将需要自己的大脑。

在更高的层次上,大脑不仅负责控制单个机器人蜜蜂,而且还负责管理其与其他蜜蜂的互动。我们着手分层构建大脑-解释物理环境的传感器,处理基本控制功能的电子神经系统,以及做出决定的可编程电子皮质。

第一步,我们寻求开发允许自主飞行的大脑子系统。为实现这一挑战,需要一个调整良好的控制回路,该回路包括传感器,处理来自传感器的信息的处理器以及控制压电致动器的处理器。这些是移动机器人身体各个部位的动作。

在设计这些传感器和大脑回路的结构时,我们仍然受到自然的启发。苍蝇(和其他动物)使用两种主要类型的传感器进行导航。本体感受传感器提供有关其内部状态的飞行信息,例如机翼拍打的速度,腿部的形状等。外部传感器提供有关外界的信息。

简单的愿景,但有效

如今,我们拥有地理定位系统,加速度计和多轴陀螺仪,但是这些各种传感器太重或消耗了太多能量,无法对我们有用。这就是为什么我们要寻找一种类似于真实蜜蜂的电子视觉系统的原因-一种分析“光流”的系统,即物体在图像传感器视场中的明显运动。使用此信息的视觉系统可以创建其周围环境的详细三维表示,即使该系统仅配备了小型,简单的图像传感器也是如此。

我们的机器蜜蜂的大脑必须足以处理来自其图像传感器的数据流,并做出适当的决定来引导人体的执行器。同样,这里可用的最复杂的组件太重且太耗能。因此,我们通过将通用计算与称为加速器的专用电路相关联,为机器人的大脑设想了一种新型的计算机体系结构。

与传统个人计算机中的通用微处理器不同,加速器电路是经过精确调校的电路块,可以完成一件事情,但做得很好。我们需要加速器集成电路来执行反馈回路的快速,实时计算,以确保飞行稳定性,同时严格限制功耗。

一个主要的挑战是妥协。例如,我们想使用高分辨率相机,但这需要更大的图像传感器,因此需要更多的计算能力来处理图像。最佳位置在哪里?

为了回答此类问题,我们开发了一个特殊的测试室。我们将机器人蜂体安装在力和扭矩传感器上,并使它拍打翅膀。在此测试室的墙壁上,我们投射了机械蜜蜂应飞行的物理环境的图像。因此,我们可以研究视觉系统,大脑和原型机体如何协同工作来定位微型机器人。

不幸的是,我们目前的机器人蜜蜂无法预见的一种功能是从一个微型机器人到另一个微型机器人的直接通信-与无线通信相关的能源成本太高了。但是,这并不意味着机器人蜜蜂将不得不独自行动。

蜂巢的智慧

孤立地看,与它进化的世界相比,机器人蜂是微小且有限的。此外,能量和重量的限制严重限制了微型机器人可以携带的传感和通信设备的类型。这就是为什么我们还需要弄清楚如何建立殖民地的原因。与真正的蜜蜂一样,单个机器人蜜蜂也无法完成很多工作。但是蜂箱?群体行为可以使机器人蜜蜂探索大片区域,通过进行许多简单的观察来选择感兴趣的区域,有效地分配任务并蓬勃发展,即使有些人失败了。

自1990年代初以来,计算机科学家设计了许多受社交昆虫启发的强大协调算法-从协调搜索策略到智能工作共享。但是即使使用这些算法,也无法像单个机器人一样管理大量机器人。

数以千计的实体无法在个人层面进行编程和推理。相反,就像编译器将以人类可理解的语言编写的计算机程序的指令转换为驱动微处理器的晶体管的0和1序列一样,我们需要在更高层次上进行编程,也就是说,对整个殖民地进行编程。因此,我们正在寻找一种将全局指令转换为单个行为程序的方法。

什么是正确的语言,能够捕捉到蜜蜂的殖民地做什么以及我们想要与机器人蜜蜂的殖民地做什么?尚无简单答案,但为了前进,我们开发了两种抽象语言。用业力语言,可以指定殖民地必须完成的任务流程图。该流程图包含表示触发新任务的条件的链接。业力系统使用来自个人的信息来调整资源分配给不同任务的方式,从而模仿蜂巢在实际蜂群中的作用。

另一种名为OptRAD(用于优化反应-对流-扩散)的方法将空中机器人的集落视为一种扩散到环境中的流体。每只蜜蜂都根据环境的当前状态使用概率算法来确定是否要执行任务。将系统视为流体可以使OptRAD在较高水平上对预期结果进行推理,并调整系统的行为以适应新的情况。

关于构建和调试大型机器人群落的工作,我们还有很多要学习的知识,其中不包含数十个自主机器人,而是数千个。有了这样的数字,就不可能在单个级别上操作这些机器人。想象一下,每个机器人都有一个开关:如果打开每个机器人需要五秒钟,那么打开1000个机器人将花费一个半小时。从成本到维护,每个项目都有类似的限制。

这些挑战促使我们创建了Kilobot系统-一千个机器人组,每个机器人都像硬币一样大小,它们通过振动移动并与其他人通信。 Kilobots 邻居 (请参阅N.Bredèche的In Clouds and Swarms,第18页)。我们使用这群微型机器人来测试我们的编程语言和新兴行为的数学模型。一群 Kilobots 可以用来测试许多集体行为,我们最终希望看到它们被我们的机器蜂群落采用。

(看到

,作者:N。Bredèche,第18页)

我们还确保我们的 Kilobots 适用于其他团队。你可以得到 Kilobots 由机器人公司K-Team corp预制。我们希望这种标准化的机器人“工具包”的传播将产生新的想法并带来进步。毕竟,人类还要依靠集体,而不是人类的总和!

坚固,便宜又可靠?

尽管已经取得了很大的进步,但是仍然有很多工作要做。我们相信,几年之内,我们将在严格控制的实验室条件下飞行蜜蜂。五到十年后,您也许可以看到它们的常用用法。

其他团队正在这方面工作。因此,该项目 奥米 (用于模仿昆虫的飞行物体),由依门,在里尔,Oneralppi,在Cergy和Ensiame位于瓦朗谢讷(Valenciennes)的公司开发了一种微型无人机,约三厘米宽,由微机电设备提供动力。原型已经建立

1989年,出生于澳大利亚的机器人学家罗德尼·布鲁克斯(Rodney Brooks)写了一篇有关小型机器人在太空探索中的好处的文章,标题为“快速,廉价和失控:机器人入侵太阳系”。自主:机器人入侵太阳系)。这是对工程师的一句致敬之词,即消费品通常可以由以下两个形容词(而非三个)形容为特征:坚固,便宜和可靠。对于许多个人而言,缺少任何这些特征都没有太大关系。

R. Brooks在解释机器人领域的这一概念时很有先见之明。前提是我们可以使许多简单的机器人进行有效的协作,无论某些人是否有时会失败。确保机器人浏览器成功的唯一方法就是偶尔让它们从天而降!

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