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微型化智能化机器人

Frank Grotelueschen2007年10月14日

讲起机器人,人们首先联想到的恐怕都是模仿人样的铁皮人,走起路来笨手笨脚的。这种想法其实早已过时,微电子技术以及微型化的发展趋势也早已进入机器人的开发领域,设计人员在实验室测试的模型已经越来越精细,有些甚至可以模仿蜻蜓,自动飞行。

健步如飞的微型机器人图像来源: Uni Göttingen

在院子里来回飞的这个飞行器看上去就像某种微型的不明飞行物UFO,大小就和5寸盘子差不多。只见它径直飞向一名行人,然后稳稳地停在空中,停在和那位行人齐眉高的地方,把摄像头对准了他。那个人显然愣住了,不知道是怎么回事儿。站在院子另一头、手里握着遥控的阿赫特里克(Michael Achtelik)偷笑不止,很高兴自己又成功地捉弄了人。阿赫特里克是德国慕尼黑工业大学的研究人员,他控制的是一个飞行间谍,这个间谍的样子看上去就像某种特殊的直升飞机模型,行话称其为四旋翼直升机。阿赫特里克介绍说:“四旋翼直升机就是带着四个旋转翼片的飞行器,它是靠控制各个旋翼的转速差来实现前进、后退、转向、悬停等动作的。我们现在的攻关重点是尽可能让它飞行得更加平稳。”

驱动飞行器的是电机,能源是锂电池。飞行器上的一个微型芯片根据机上各种传感元件收集到的信号控制四个旋翼的转速。阿赫特里克介绍说:“我们这个四旋翼直升机要比一般的直升机结实多了,坠落好多次都没不会坏。它在空中飞的时候你碰它也没事儿,它会自动恢复稳定状态。”

这是一个诱人的高科技玩具吗?阿赫特里克认为不是。在他看来,这个四旋翼飞行器具有实实在在的应用价值。他说:“人们可以利用它进行航空拍摄,或者进行空中监测。假如需要检查某栋建筑物的话,也可以用它进行低空拍摄。”

图像来源: DW-TV

机器人行业的最新发展趋势是微型化、智能化,与此同时,造价也在降低,上面介绍的四旋翼飞行器仅是这一发展趋势的一个实例,但还不算顶尖的实例。今天,由于微电子技术的长足发展,研究人员已经在开发比蜻蜓或者苍蝇的个头大不了多少的飞行机器人了。他们的幻想是有朝一日能让这些人造昆虫独立自主地在空中飞行,完成有用的工作,比如说在灾区搜寻幸存者、搜查环境污染物、监测生产企业和发电站的环保工作等等。当然,除了民用之外,它们的军用价值也很高,警方和军方可以利用它们进行侦察工作,秘密收集各类情报。荷兰戴尔福特大学的棱廷克(David Lentink)就从事拍翅式的仿昆微型机器人的开发工作。他介绍说:“我们的飞行器有两对儿翅膀,就像蜻蜓一样。这些翅膀也像蜻蜓一样上下拍动,每秒钟拍14下。飞翅的构架是用很细的碳纤维杆做成的,上面蹦着一层特殊薄膜,由微小的、重量只有1,6克的电机带动。飞行器上的电池可以保证15分钟的飞行,而且是带着一台摄像机的负重飞行。”

这支人造蜻蜓模仿的是昆虫飞行最主要的特征之一,那就是上下拍翅。这种推进方式对飞行机器人专家来说是非常吸引人的,因为传统的螺旋桨或者是直升机的旋翼推进方式由于空气动力学的缘故已经不能再小了,人们要想开发微型的飞行机器人,就必须另辟蹊径,寻找全新的推进方式。自然界的昆虫就给了研究人员很好的启发。再小的昆虫,比如说蚊子、果蝇,也可以通过拍翅方式在空中自如飞翔。

瑞士洛桑联邦高等工业学院的研究人员科瓦奇(Mirko Kovac)选择的模仿对象则是另一种昆虫——沙漠蝗虫。他正在开发的机器人是先跳起来,然后再展开双翅,向前滑行几米。科瓦奇介绍说:“这样的飞行机器人主要有两个优势:一是构造非常简单,二是只需要非常少的能量就可以在空中前进。”

科瓦奇已经开发了一个会起跳的机器人,原理很简单:一个微型电机通过一个传动装置上紧一根弹簧,放开弹簧的瞬间,机器人便会一跃上天。科瓦奇说:“这种起跳原理和蝗虫的一样。我们这个小机器大小差不多有5公分,重量是5克,跳起来的高度大约有1,4米。”

跳到最高点以后,蝗虫机器人必须尽快展开双翅。科瓦奇对此已经有所思考了。他介绍说:“我们的第二步工作是开发双翅。在此我们借鉴的是蝙蝠双翅的折叠原理。”

他们的初步设想是利用细丝收回或伸展机器人的双翅。最终的产品将是一个大小不超过A4纸叠的鸟、重量不超过10克的滑翔机器人。有朝一日,这样的机器人将可能作为机动环境监测传感器,在环保领域大显身手;或者在发生雪崩、地震之类的自然灾害时,协助救急人员搜寻幸存者;或者作为某种新式登陆器,参加到对火星及其他星球的探索行列。

但这些可能的应用都还属于遥远的未来蓝图,现在研发出来的样机都还显得相当笨拙,飞起来摇摇晃晃的很不稳定,稍不小心就会一头栽地。但是,这些迷你型飞行器却拥有巨大的发展潜力。科学家们早已认识到大自然的样板作用并学会很快化为己用,他们对昆虫世界的技巧了解得越来越多,其中不光是拍翅、滑翔等飞行技巧,而且还包括对周围情况的感知技巧,比如说苏黎士联邦高等工业学院的研究人员就开发了一个模仿苍蝇大脑工作原理的摄像芯片。有朝一日,这个芯片将可以协助仿昆微型机器人不再依赖人们的遥控,而是可以自主导航,在野外飞行。

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