小心，這只蒼蠅是機(jī)器的！

亞新

生活中，蒼蠅是惱人的小東西，但是機(jī)器蒼蠅卻徹底改變了人們這一觀點(diǎn)。這種聽上去似乎在007等諜戰(zhàn)電影中才會出現(xiàn)的玩意，現(xiàn)在真的已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

機(jī)器蒼蠅的體重只有60毫克，翼展長度也僅僅有3厘米，是典型的仿生學(xué)產(chǎn)品，其飛行運(yùn)動原理和真的蒼蠅非常相似。經(jīng)過十多年研制，世界上首款機(jī)器蒼蠅在哈佛成功起飛。近日，哈佛大學(xué)的幾名研究人員在最新出版的《科學(xué)》雜志上，報告了這一研究成果。別看機(jī)器蒼蠅體積小巧，但是卻擁有廣泛的運(yùn)用前景，其中包括環(huán)境監(jiān)測、給農(nóng)作物授粉以及建筑物中的營救搜索工作等。

世界上的第一只“機(jī)器蒼蠅”

研制機(jī)器蒼蠅的科學(xué)家羅伯特伍德來自哈佛大學(xué)，他一直將薄翼式機(jī)器人作為自己研究的重點(diǎn)。2007年，在羅伯特伍德的帶領(lǐng)下，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家們首次研制出了一款體型小巧的機(jī)器蒼蠅，可用于隱蔽地偵察有毒物質(zhì)。

為了讓機(jī)器蒼蠅看起來更像是真正的蒼蠅，研究人員在研制過程中使用了激光加工技術(shù)。借助激光，科學(xué)家們成功制造出了極其纖薄的碳纖維薄片，通過這些薄片，研究人員成功地將機(jī)器蒼蠅的各種功能組件連接在了一起。此外，為了讓機(jī)器蒼蠅身上的某些部分可以運(yùn)動起來，專家們還運(yùn)用了一些在電場作用下可以改變形狀的高分子化合物。

在羅伯特伍德接通外部電源后，機(jī)器蒼蠅便開始“飛”了起來——它的碳纖維翅膀大約有15毫米的長度，每秒可以來回?fù)渖?20次，就像一個真正的昆蟲在來回?fù)渖戎岚颉Ｑ芯咳藛T通過配套遙控器的控制，已經(jīng)使機(jī)器蒼蠅可以向各個不同的方向飛行。

雖然這款機(jī)器蒼蠅身上攜帶的微型鋰聚合物電池只能維持5分鐘時間，運(yùn)動情況還非常有限，但擁有兩扇翅膀的機(jī)器人首次問世仍然是科研界的一大進(jìn)步，特別是它身形小巧、可以像真正的蒼蠅一樣飛行實(shí)屬難得。羅伯特伍德和他的同事都希望，這個小型飛行機(jī)器人的問世，可以引領(lǐng)小規(guī)模實(shí)用機(jī)器人設(shè)計(jì)新時代的到來。

1%的幸存蒼蠅也能完成任務(wù)

此后，羅伯特伍德帶領(lǐng)同事們又開始對機(jī)器蒼蠅進(jìn)行新的改進(jìn)。一直以來，在哈佛微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，類昆蟲機(jī)器人始終是一個研究課題。科學(xué)家們主要希望它們能在救援和偵察中發(fā)揮作用：一旦裝上合適的傳感器、飛行控制器和電池，它們便可以從實(shí)驗(yàn)室外放，投入使用，敏捷地越過障礙物到達(dá)人所不能及的地方。

例如，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生房屋倒塌時，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，救援人員必須穿過堆滿碎石的街道去搜尋生還者，同時還要呼吸著充滿有毒粒子的空氣，這些都會使救援人員面臨很大風(fēng)險。按照設(shè)計(jì)機(jī)器蒼蠅將能代替人類從事類似的高風(fēng)險工作，避免不必要的傷亡。

在設(shè)計(jì)中，羅伯特伍德和他的同事有個特別做法，就是讓急救人員將數(shù)千回形針大小的飛行機(jī)器人分散到整個災(zāi)區(qū)，讓它們?nèi)蓽y生命跡象。雖然有一些蒼蠅可能撞碎窗口的玻璃或陷入死角，但是有部分還是可以從裂縫和下塌橫梁逃出。 每當(dāng)找到幸存者時，它們便會原地等待并使用其剩余的能源向營救人員傳遞搜救結(jié)果。所以哪怕只有1%的蒼蠅能夠幸存，探測任務(wù)仍可以成功完成。

為什么是蒼蠅？

之所以選擇蒼蠅這一形態(tài)，是因?yàn)樯n蠅是地球上飛行能力極強(qiáng)的物種之一，雖然他們體型很小，但他們天生健康強(qiáng)壯，在飛行時能經(jīng)得住各種強(qiáng)烈撞擊。

經(jīng)過無數(shù)次的反復(fù)試驗(yàn)，羅伯特伍德研究團(tuán)隊(duì)研制的機(jī)器蒼蠅在功能上越來越接近真的蒼蠅。它們和真正的蒼蠅擁有相同的主要飛行結(jié)構(gòu)：包括機(jī)身（外骨骼），發(fā)動機(jī)（飛行?。?，傳動機(jī)（胸），機(jī)翼（翅膀），雖然每部分的功能都比較簡單，但已經(jīng)足夠保證其自身能自如飛行。

為了讓機(jī)器蒼蠅的功能更加完善，羅伯特伍德和他的同事特別注重了生物學(xué)最基本的兩個原則：一是機(jī)翼面積與身體重量的比例要恰當(dāng)，二是翅膀的撲閃頻率必須足夠高。在第一個原則上，因?yàn)殡娮釉O(shè)備在重量上并不占優(yōu)勢，所以羅伯特伍德和他的同事采用了一些非傳統(tǒng)的制造方法，制造出超薄微型翅膀。這個微型翅膀重量與真的蒼蠅翅膀沒有多大區(qū)別，而且十分堅(jiān)韌。而在第二個原則上，包括翅膀復(fù)雜的拍打和扭動運(yùn)動在內(nèi)，機(jī)器蒼蠅已經(jīng)有一套復(fù)雜的機(jī)制來調(diào)節(jié)自己的飛行。羅伯特伍德和他的同事將機(jī)器蒼蠅夾住進(jìn)行測試，結(jié)果機(jī)器蠅每秒也能有120次扇翅。

由10萬美元變?yōu)?0美元

在機(jī)器蒼蠅發(fā)明之前，軍事上也使用過類似的昆蟲機(jī)器人，但每個高達(dá)10萬美元的定價卻使它們無法被廣泛應(yīng)用。因此對于機(jī)器蒼蠅的研發(fā)，羅伯特伍德和他的同事非常注重選材，既要保證效果也要價格合適。所以羅伯特伍德現(xiàn)在使用的是制作精良硬度適中的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，代替了之前激光微細(xì)加工技術(shù)的超薄材料。因?yàn)檫@樣一來羅伯特伍德和他的同事在一周內(nèi)便可以制作出一個機(jī)器蒼蠅的原型，而且現(xiàn)在一只蒼蠅的造價還不到10美元。

為了制作關(guān)節(jié)，羅伯特伍德和他的同事在兩個又薄又硬的碳化纖維中間割開裂縫，在中間夾入薄薄的聚合纖維，以保證其能來回彎曲又不會出現(xiàn)失靈；為了使發(fā)動機(jī)模擬真實(shí)的肌肉運(yùn)動，羅伯特伍德和他的同事為它增加了碳纖維混合物。這種碳纖維混合物是電鍍材料，受電場可以改變形狀；在設(shè)計(jì)這些電機(jī)時，不但要讓他們保證有足夠的能量供給，還要盡可能的使其更小更輕便，這也是羅伯特伍德和他的同事的首要任務(wù)。電機(jī)的能源密度為每千克400多瓦，比普通蒼蠅翅膀肌肉能力的4倍還多。

經(jīng)過材料的恰當(dāng)選擇，現(xiàn)在最新版機(jī)器蒼蠅的重量只有60毫克，與雙翅類昆蟲的重量幾乎一樣，而其對自身的推力卻將近是它們的兩倍，這跟真正的蒼蠅幾乎完全一致，由此機(jī)器蒼蠅可以獲得3倍至5倍于自身重量的升力。

解決了材料問題，接下來便是機(jī)器蒼蠅如何獲取能源的問題了。羅伯特伍德和他的同事估計(jì)如今壓縮過的最好的鋰電池也要50毫克，占了機(jī)器蒼蠅體重的一半，而且這也只能維持它5～10分鐘的飛行。為了增加飛行時間同時減輕電池重量，羅伯特伍德和他的同事必須增加電池的能量密度，或者開發(fā)自給能量技術(shù)，比如在他背上安裝一個太陽能電池板，又或者將其翅膀的振動轉(zhuǎn)換成電流等等。

另一方面，羅伯特伍德和他的同事也把的注意力轉(zhuǎn)移到機(jī)器人的低功耗分散控制算法上來。雖然群居昆蟲用簡單的局部規(guī)則和直接的方法進(jìn)行溝通，但它們完成的任務(wù)卻驚人的復(fù)雜。例如，在沒有藍(lán)圖的情況下，白蟻們依然能夠能建造一種比他們自身大數(shù)百萬倍的建筑物。羅伯特伍德和他的同事們就在研究如何讓機(jī)器蒼蠅也能夠掌握這一本領(lǐng)，這樣就可以使成群的簡單機(jī)器人去完成復(fù)雜的任務(wù)。

一旦有了基本的控制算法后，羅伯特伍德和他的同事也期盼微型機(jī)器人在特設(shè)的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中能起更重要的作用。目前具有的包括搜索與救援行動，危險環(huán)境中的探索和監(jiān)測，行星探測和建筑物巡查在內(nèi)的功能，只是高度靈活的昆蟲類機(jī)器人的一小部分應(yīng)用。在未來的機(jī)器蒼蠅身上，將會安裝許多傳感器和微型攝像機(jī)。因此它們能做的事情還有很多，比如可以用來發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)；在未來登上新星球后，機(jī)器蒼蠅也可以代替航天員，在各種復(fù)雜條件下完成拍照、攝影、取樣等工作；而在未來戰(zhàn)爭中，機(jī)器蠅甚至可以帶上微型炸藥，飛到敵方總部，將其指揮官炸死或炸毀指揮中心的所有儀器。總之，機(jī)器蠅將完成“007”也完成不了的任務(wù)，成為名副其實(shí)的“超級間諜”。

在取得初步勝利后，羅伯特伍德和同事們透露目前他們還在加緊研發(fā)一種完全自主的機(jī)器人昆蟲，這大概需要5年的過程。5年以后，這些設(shè)備可能已經(jīng)不再是什么神秘裝備，就像現(xiàn)在的電子產(chǎn)品一樣開始融入我們的日常生活，也許，那時當(dāng)一只蒼蠅從我們頭頂飛過時，我們還需要仔細(xì)辨別一下，看看這只蒼蠅是不是機(jī)器的。

Tips

鏈接

目前問世的各類特種機(jī)器人

以色列的毫米機(jī)器人醫(yī)生

2007年，以色列科學(xué)家稱制造出了世界上最小的機(jī)器人，這種機(jī)器人直徑1毫米、長4毫米，可以進(jìn)入人的血管并將藥物送往人體各處。這種機(jī)器人在血管中運(yùn)動時是在“爬行”而不是在“游泳”，這也讓它在血管中的運(yùn)動更容易控制。機(jī)器人帶有機(jī)械手，可以抓住血管內(nèi)壁，從而可以經(jīng)受住血流的沖擊并不斷前行。

機(jī)器人自身并不攜帶電池，其動力來源于外部磁場激發(fā)的振動。正因?yàn)槠淠芰咳縼碜酝獠浚@種機(jī)器人不僅能夠在人的控制下無時限地在人體內(nèi)工作，而且這樣的設(shè)計(jì)還讓科學(xué)家得以最大限度縮小機(jī)器人的尺寸。

研究人員表示，在微創(chuàng)手術(shù)以及治療癌癥的療法中，這種機(jī)器人可以作為投送藥物的工具，解決如何將藥物精確施于需要治療部位的問題。

會10國語言的小型機(jī)器人

2007年，日本多美公司推出一款小型機(jī)器人，這一機(jī)器人被認(rèn)為是“商品化生產(chǎn)的世界最小的人形機(jī)器人”。

據(jù)多美公司介紹，這款被稱為“i-sobot”的機(jī)器人身高16.5厘米，體重350克，以鎳氫電池為動力，可以講180個短語，做出200多種動作，還能播放90種效果音樂，并演奏5首曲子。它還能聽懂10國語言，能用人工語音對它發(fā)號施令。據(jù)了解，該款機(jī)器人市場價約合256美元。