昆蟲模型機(jī)器人的分類及在多個領(lǐng)域的應(yīng)用

顏笑飛+高軍暉

摘 要：昆蟲有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、彈性關(guān)節(jié)、伸縮肌肉等。這些特點為我們設(shè)計微機(jī)器人提供了基礎(chǔ)。昆蟲模型機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在人類生活的各個方面，本文是一篇綜述，論述了昆蟲機(jī)器人的分類及在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。在昆蟲機(jī)器人分類部分，本文從材質(zhì)、運(yùn)動方式、原型物種等多個角度進(jìn)行了論述。在昆蟲機(jī)器人應(yīng)用部分，本文從航空航天、醫(yī)療、軍事、農(nóng)業(yè)、家庭等多個領(lǐng)域進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：昆蟲機(jī)器人 分類 應(yīng)用

中圖分類號：TP242；Q969 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（b）-0129-03

昆蟲只有104～106個神經(jīng)細(xì)胞，其運(yùn)動是簡單的機(jī)械運(yùn)動，例如往復(fù)運(yùn)動。但這些運(yùn)動看起來非常協(xié)調(diào)和靈活，這就是為什么我們正在開發(fā)基于昆蟲模型的機(jī)器人[1]。

我們對昆蟲的了解對我們在微機(jī)器人的研究中是有好處的。昆蟲具有許多有趣的特征，例如外部骨骼、彈性關(guān)節(jié)和伸縮肌。這些特征為我們設(shè)計微型機(jī)器人提供了基礎(chǔ)[2]。

馬薩諸塞理工學(xué)院教授羅德尼·布魯克斯（Rodney Brooks）說：“建立長期目標(biāo)的原因是因為昆蟲在現(xiàn)實環(huán)境中的活動非常成功，而且比傳統(tǒng)機(jī)器人更為優(yōu)越?！?/p>

在20世紀(jì)80年代后期，微型技術(shù)已經(jīng)成為制造微機(jī)械系統(tǒng)的新方法。使用IC技術(shù)的硅晶片上的微加工已經(jīng)成為開發(fā)微機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。成熟的第一個完全自主的昆蟲機(jī)器人于1989年在MIT AI實驗室開發(fā)，主要用于行為控制。

本文論述了昆蟲模型機(jī)器人的分類及在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 昆蟲機(jī)器人的分類

可以從多個角度進(jìn)行分類。從材質(zhì)進(jìn)行分類，可以分為金屬、聚合物、碳纖維等昆蟲機(jī)器人。從運(yùn)動方式進(jìn)行分類，可以分為爬行、跳躍、飛行、游動、蠕動等昆蟲機(jī)器人。

從原型物種進(jìn)行分類，有很多種，在文獻(xiàn)[3]中，張星整理了以下類型的昆蟲機(jī)器人：分別是螞蟻、蒼蠅、螻蛄、蠓蟲、孑孓、跳蚤、塵螨、蚊子、夜蛾、海蠶、蜜蜂、甲蟲、海螵蟲、盲蛛、飛蝠。

下面是一個例子。Festo是一家德國機(jī)器人制造商，開發(fā)了一系列由螞蟻、蝴蝶和變色龍啟發(fā)的仿生機(jī)器人[4]。仿生螞蟻Bionicants（見圖1）的長度為13.5cm，運(yùn)行在兩節(jié)7.2V的電池上。BionicANTs中的“ANT”是“獨立網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”英文縮寫中，在未來的工廠，生產(chǎn)系統(tǒng)將由智能適應(yīng)性組成，可由高層次的控制系統(tǒng)操作。

仿生螞蟻Bionicants的腿和夾具制動器采用壓電陶瓷制成的彎曲傳感器。頭部配有兩個相機(jī)，可以通過傳感器跟蹤光電鼠標(biāo)安裝在胸前。它們不僅塑造和行動像螞蟻，而且模擬真正的螞蟻的合作行為。它們互相交流，調(diào)整自己的動作。

2 昆蟲機(jī)器人的應(yīng)用

昆蟲機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域有航空航天、醫(yī)療、軍事、農(nóng)業(yè)、家庭等，下面分別論述。

2.1 航空航天

早在1969年，美國就開發(fā)了一種用于月球探測的跳躍機(jī)器人[5]。NASA的三代彈跳機(jī)器人均屬于間隙性彈跳機(jī)器人，彈跳機(jī)器人實現(xiàn)了起飛角度和起飛方向的動態(tài)調(diào)節(jié)，而且實現(xiàn)了實時控制和無線通信計算機(jī)。原型實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制在更規(guī)則的地形環(huán)境中自由運(yùn)動，并可以自動識別遇到的障礙和飛躍。這表明跳躍是一種非常有效的星際探索運(yùn)動形式。

斯坦福大學(xué)教授馬克·庫爾特·科斯基（Mark Kurt Koski）的一個研究小組研制出了一種長期的足底人造羊毛（由合成橡膠制成），被稱為“粘性”（Stickybot）的“蜥蜴機(jī)器人”。這些微小的聚合物墊片確保了腳和壁的接觸面積大，允許范德瓦爾斯粘度最大化?！罢承浴睓C(jī)器人可以用作行星探測器或救生裝置使用[6]。

2.2 醫(yī)療領(lǐng)域

加州大學(xué)伯克利分校、達(dá)特茅斯學(xué)院和杜克大學(xué)的研究人員表明，如何使用單一的電子信號來指導(dǎo)一組小型機(jī)器人將其組裝成更大的結(jié)構(gòu)[7]。研究人員希望以這種方式建立生物組織。想象一下像發(fā)絲一樣的微型機(jī)器人在您的血管中游泳并修復(fù)損傷，或者在計算機(jī)芯片上作為安全鎖飛行，或使心臟組織愈合。

Fuchiwaki介紹了一種具有納米級分辨率的昆蟲尺寸完整機(jī)器人的設(shè)計與研制，這篇文章也談到了該機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[8]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物細(xì)胞操作非常重要。在基因工程中，基因敲除和轉(zhuǎn)基因動物是基本的研究工具。為了制造這些基因敲除和轉(zhuǎn)基因動物，必須處理直徑為80～120μm的卵細(xì)胞。對于人工授精，需要同時處理60μm長的卵子和精子細(xì)胞，并具有亞微米的定位分辨率。膜片鉗實驗也需要操縱卵細(xì)胞。這些生物醫(yī)學(xué)任務(wù)是由手動控制的倒置顯微鏡上安裝的操作器執(zhí)行的。由于這些任務(wù)需要幾百個卵細(xì)胞進(jìn)行單個實驗，因此需要對微米級精度進(jìn)行自動注入，以提高處理效率，減少研究人員的手工負(fù)擔(dān)。

2.3 軍事領(lǐng)域

克拉克學(xué)院生物學(xué)教授劉易斯·凱勒通過設(shè)計軟機(jī)器人來研究動物運(yùn)動的生物力學(xué)[9]。他說：“網(wǎng)絡(luò)蠕蟲如機(jī)器人可用于各種領(lǐng)域，例如新一代內(nèi)窺鏡、移植和假肢。雖然機(jī)器人身體比一個真正的蠕蟲更簡單，只有幾個細(xì)分，但似乎運(yùn)動非常重要。我預(yù)測，未來10年，我們將改變?nèi)嗽旒∪狻⑹謾C(jī)、便攜式電腦、汽車等眾多產(chǎn)品的形狀?！毙卵芯康玫搅嗣绹鴩啦扛呒壯芯宽椖繖C(jī)構(gòu)的支持。

來自荷蘭代爾夫特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種Delfly人造蜻蜓[10]。它的機(jī)翼振動速度每秒14次，并配有攝像頭，重量為1.6g的鋰電可用于電池驅(qū)動，可持續(xù)飛行15min。

Dirk Spenneberg等人的四足機(jī)器人[11]用于軍用攀爬爬行，他們解釋了如何產(chǎn)生類似于基于貝塞爾曲線的CPG節(jié)奏的運(yùn)動模式，從而產(chǎn)生了一種非常簡單靈活的方法來產(chǎn)生復(fù)雜的軌跡，可以相位調(diào)制頻率和振幅。

2.4 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

華沙理工大學(xué)的研究人員為了人工授粉發(fā)明了第一臺機(jī)器蜜蜂[12]。該機(jī)器蜜蜂是一架小型無人機(jī)，可以搜尋花朵，采集花粉，然后將雄蕊中的花粉傳授到雌蕊中來完成授粉過程。其發(fā)明者工程師RafalDalewski表示，這種機(jī)器人已經(jīng)在該領(lǐng)域的測試中取得了成功，其授粉能力將極有可能使其代替授粉者來應(yīng)對世界授粉蜜蜂持續(xù)下降的狀況。Dalewski稱，2015年夏天他們進(jìn)行了一次測試，這種人工授粉方式已經(jīng)獲得了第一粒種子，證明了機(jī)器昆蟲的授粉能力和真正的蜜蜂幾乎相同。endprint

Dalewski承認(rèn)，機(jī)器傳粉者不可能完全取代昆蟲，但是作為昆蟲傳粉的補(bǔ)充。工程師拒絕評價機(jī)器昆蟲是否比昆蟲授粉效果略勝一籌。但實際上，這種機(jī)器不僅可以輔助自然授粉，而且可以以一種巧妙的方式進(jìn)行，因為它可以通過計算機(jī)程序編程集中在一個特定區(qū)域，找到某一特定類型的花朵授粉。華沙理工大學(xué)發(fā)明了飛行和著陸兩種類型的無人機(jī)，這兩種都裝有浸漬花粉的噴粉器，讓花粉落在其他的花朵上。著陸的這種更有自主性，電池更持久，種植者可以讓無人機(jī)自動工作。這些無人機(jī)也可以作為肥料或者殺蟲劑的智能分配器適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

該大學(xué)希望首個機(jī)器蜜蜂原型于2017年開始正式投入使用，并在兩年內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)。因為許多作物依賴的傳粉昆蟲在每年的死亡率逐漸上升，所以該發(fā)明特別重要。特別是在農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)的國家，缺乏授粉昆蟲將嚴(yán)重影響到農(nóng)作物生產(chǎn)。2014年歐盟展開了首個關(guān)于蜜蜂死亡率的研究，根據(jù)數(shù)字顯示，在不同國家的蜜蜂死亡率達(dá)3.5%～33.6%。如果蜜蜂不傳粉，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量會大幅下降，植物的種植會受到嚴(yán)重威脅。

2.5 家庭應(yīng)用

廣西師范大學(xué)龍瓏、鄧偉等研究家庭安全機(jī)器人[13]。為了提高機(jī)器人對家庭復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，節(jié)省制造成本，安全機(jī)器人采用蜂窩體和六腳鉸接機(jī)械結(jié)構(gòu)。蜂窩式機(jī)器人不僅可以節(jié)省大量的制造材料，還可以增加安全機(jī)器人的肢體空間，使安全機(jī)器人保持優(yōu)異的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

智能控制系統(tǒng)安全機(jī)器人對安全機(jī)器人每個腳趾進(jìn)行精確控制，研發(fā)小組擁有低成本的小型直流發(fā)電機(jī)，在每個腳踏機(jī)器人中安裝多個腳端壓力傳感器，確保安全機(jī)器人能夠快速感應(yīng)復(fù)雜的地形。但考慮到生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場上的競爭力，腳端壓力傳感器采用正常電阻材料，工作溫度范圍為-25℃～65℃，可適應(yīng)大部分家庭環(huán)境溫度。

3 總結(jié)與展望

本文通過文獻(xiàn)資料的查找與整理，論述了昆蟲模型機(jī)器人應(yīng)用在人類生活的多個方面，包括航空航天、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)、家庭等多個領(lǐng)域。我們相信，隨著科技的發(fā)展，昆蟲模型機(jī)器人將會更好地服務(wù)于人類。

參考文獻(xiàn)

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[9] 中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng).新聞頻道[EB/OL].http：//www.ce.cn/xwzx/kj/201208/21/t20120821_23602966.shtml.

[10] 新浪博客[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_89cdcd1f0101c1ga.html.

[11] Dirk Spenneberg，Andreas Strack，Jens Hilljegerdes，et al.ARAMIES：A Four-Legged Climbing and Walking Robot[J].Proceedings of International Symposiumlsairas，2005，603（603）.

[12] 周洲.波蘭：利用機(jī)器蜜蜂給作物授粉[J].中國果業(yè)信息，2017（1）：40.

[13] 龍瓏，鄧偉，胡秦斌，等.仿生昆蟲家庭安保機(jī)器人運(yùn)動軌跡的實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2012，34（23）：13-15.endprint