人造蜜蜂嗡嗡飛

李和昌

十年磨一劍

2013年5月，研制10年的機(jī)器蜜蜂首次實(shí)現(xiàn)了遙控飛行。未來機(jī)器蜜蜂可應(yīng)用于搜索、營救、監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)控等，甚至還能像真實(shí)的蜜蜂一樣對農(nóng)作物進(jìn)行授粉呢。

自2003年，美國哈佛大學(xué)就開始研制設(shè)計(jì)機(jī)器蜜蜂。2007年首次研制成了實(shí)物大小的機(jī)器蒼蠅。而要達(dá)成蜜蜂的自治飛行，需要更緊湊的高效能源，以及能無縫整合到機(jī)器蜜蜂體內(nèi)的電子部件。機(jī)器蜜蜂設(shè)計(jì)受益于飛行生物學(xué)的靈感，它具有極薄的翅膀和壓電致動(dòng)器制造的飛行“肌肉”，當(dāng)應(yīng)用一個(gè)電場時(shí)陶瓷條可以膨脹和收縮。每個(gè)翅膀都安裝在細(xì)長碳纖維體頂部，像真實(shí)的昆蟲一樣，它們的翅膀能夠獨(dú)立活動(dòng)，拍打時(shí)自由旋轉(zhuǎn)。

機(jī)器蜜蜂重約80毫克，具有一對類似蒼蠅的翅膀，每秒可拍打120次，是飛行昆蟲的首個(gè)實(shí)用模型。在測試中通過一根連線與機(jī)器蜜蜂連接，控制它的起飛、空中盤旋和改變方向。拍打翅膀形成的向下氣流可使機(jī)器蜜蜂在空中盤旋，通過傾斜身體而實(shí)現(xiàn)向前或向后飛行。

機(jī)器如何飛

但是設(shè)計(jì)最初，存在的一個(gè)重大問題是如何為翅膀提供動(dòng)力，體型較大的機(jī)器人采用電磁發(fā)動(dòng)機(jī)，體型較小的則需要考慮其他方案。過去幾十年，人們對小型機(jī)器人的研究十分有限，因?yàn)闄C(jī)器蜜蜂很小，在這樣的尺度下，占主導(dǎo)的是摩擦等表面作用力，而不是與質(zhì)量相關(guān)的重力和慣性。由于體型的限制，傳統(tǒng)工具都無法使用，包括旋轉(zhuǎn)軸承、齒輪和電磁發(fā)動(dòng)機(jī)組件——這些在大型機(jī)器人中隨處可見的組件，在機(jī)器蜜蜂身上效率太低。

除了快速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪，研究人員還模仿飛行類昆蟲，為機(jī)器蜜蜂設(shè)計(jì)了一個(gè)飛行結(jié)構(gòu)——由人造肌肉提供動(dòng)力，使翅膀可以拍動(dòng)。機(jī)器蜜蜂的肌肉系統(tǒng)用獨(dú)立的“肌肉”來提供動(dòng)力，控制飛行。較大功率的驅(qū)動(dòng)器用來驅(qū)動(dòng)翅膀拍動(dòng)，而較小功率的驅(qū)動(dòng)器用來微調(diào)翅膀運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，控制和操縱飛行。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器都設(shè)在翅膀與身體的連接處。

人造肌肉由壓電材料構(gòu)成，當(dāng)向壓電材料施加電壓時(shí)，壓電材料就會收縮。雖然這樣的驅(qū)動(dòng)器還存在諸如易碎、需要較高的電壓等一些缺點(diǎn)，但從物理上來說，尺寸較小對研究人員也有好處。驅(qū)動(dòng)器越小，運(yùn)動(dòng)速度越快。由于驅(qū)動(dòng)器在每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期完成的做功量是恒定的，所以翅膀拍打得越快，輸出的功率就越大。事實(shí)上，人造肌肉的功率，與同體積的昆蟲肌肉相當(dāng)。

關(guān)節(jié)很重要

過去幾年，研究人員已經(jīng)試用了數(shù)十種不同的驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)。他們的目的是想找到一種最簡單可行的制作方案，因?yàn)橐圃斐汕先f的機(jī)器蜜蜂，驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)這樣的組件必須大規(guī)模生產(chǎn)。

目前，研究人員用一種硬質(zhì)材料如碳纖維層作為頂層和底層，類似一個(gè)三層的三明治結(jié)構(gòu)，中間夾著柔軟的聚合物，以此構(gòu)建每個(gè)機(jī)器蜜蜂。碳纖維層中間的聚合物是可以彎曲的，這樣就可以制備出—個(gè)柔性關(guān)節(jié)。這種方法的美妙之處在于，適合高效的流水線生產(chǎn)。首先，研究人員用紫外線激光精確地切割碳纖維層；接著，將各層對齊，用黏合劑壓在一起；然后，從基板中取出每個(gè)組件；最后，他們從兒童立體書中得到靈感，設(shè)計(jì)出最后一步：只用—個(gè)動(dòng)作，就可以在二維表面彈出3D結(jié)構(gòu)。

供能受限制

研究人員在建造蜜蜂大小的機(jī)器人方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在懸而未決的問題，怎樣為這么小的機(jī)器人供能。為了供能問題，機(jī)器蜜蜂的身體大部分都得由主驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)力裝置占據(jù)。想想電池吧，盡管研究人員也在研制固體氧化物微型燃料電池。供能也是一個(gè)兩難的問題：供能元件越大，提供的能量當(dāng)然也越多，但這樣一來，機(jī)器蜜蜂的重量就會增加，需要更大的推進(jìn)系統(tǒng)來抵消增加的重量，最后又得尋找更大的供能元件。

在飛行狀態(tài)下機(jī)器蜜蜂使用19毫瓦電流，相當(dāng)于多數(shù)昆蟲的能量消耗。考慮到電池的能量密度和身體各部件的能量利用率，研究人員最樂觀的估計(jì)是，這只機(jī)器蜜蜂只能飛行幾十秒鐘。為了延長飛行時(shí)間，研究人員盡量減小蜜蜂的重量，并使各部件的效率最大化。

雖然研究人員還未制造出可以自己供能飛行的機(jī)器蜜蜂，但已經(jīng)可以讓一只100毫克的機(jī)器蜜蜂，產(chǎn)生足夠的推力起飛。他們把它系在一個(gè)外接電源上。借助主動(dòng)和被動(dòng)機(jī)構(gòu)，這只機(jī)器蜜蜂可以自己保持穩(wěn)定。

學(xué)習(xí)大自然

電源不是唯一的問題。機(jī)器蜜蜂的“大腦”是另一個(gè)難題。在野外，機(jī)器蜜蜂必須不斷根據(jù)環(huán)境，確定最好的行動(dòng)方式，并自己控制飛行機(jī)制。實(shí)驗(yàn)室里，研究人員還可以借助外部電子設(shè)備，制定一個(gè)臨時(shí)的解決方案，但真正進(jìn)入工作狀態(tài)，機(jī)器蜜蜂只能依靠自己的“大腦”。

如果要達(dá)到較高的水平，機(jī)器蜜蜂的“大腦”不僅需要自身的行動(dòng)，還得與其他機(jī)器蜜蜂互動(dòng)。研究人員打算給機(jī)器蜜蜂設(shè)計(jì)一個(gè)多層次的“大腦”：傳感器負(fù)責(zé)感知環(huán)境因素，電子神經(jīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)基本的控制功能，而一個(gè)可編程的電子大腦皮層負(fù)責(zé)做出高層次的決策。作為第一步，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)簡要版的大腦系統(tǒng)，讓機(jī)器蜜蜂實(shí)現(xiàn)自主飛行。這也是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要嚴(yán)格控制由傳感器、信號處理器和身體各部位組成的回路。

為了弄清楚該使用什么樣的傳感器，以及如何構(gòu)建大腦的電路結(jié)構(gòu)，研究人員再次將目光投向了大自然。蜜蜂感知世界時(shí)，使用了兩類傳感器：本體感受器會讓蜜蜂知道自己飛行時(shí)身體處于何種狀態(tài)——翅膀的拍打速度、身體的體能狀況；外部傳感器則提供外部世界的信息。

現(xiàn)代技術(shù)提供了GPS、加速計(jì)和多軸陀螺儀，但這些傳感器要么太重，要么會能耗太多，或者又重又耗能，根本沒法用在機(jī)器蜜蜂上。因此，研究人員正在研究一種電子視覺系統(tǒng)，與天然蜜蜂的視覺系統(tǒng)類似，可以分析“光流”，也就是在一個(gè)視覺傳感器的“視野”中，明顯的物體運(yùn)動(dòng)。想象一下，當(dāng)你乘坐汽車時(shí)，看到的窗外景物是怎樣的：車窗附近的物體移動(dòng)速度快，而遠(yuǎn)處的物體移動(dòng)緩慢。如果一個(gè)視覺系統(tǒng)可以做到這一點(diǎn)，它就能展現(xiàn)某一環(huán)境的詳細(xì)三維場景。即使它只配備有一個(gè)小小的、簡單的圖像傳感器。

問題難取舍

研究人員面臨的一個(gè)重要問題是怎么取舍。例如，他們希望有一個(gè)高分辨率的攝像頭，但高像素意味著更大的圖像傳感器，而且需要額外的計(jì)算能力來處理圖像。那么，如何取舍才是最合適的？

為了回答這類問題，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種特殊的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。他們把機(jī)器蜜蜂的身體，安裝在一個(gè)固定的多軸向力和扭矩傳感器上，讓它扇動(dòng)翅膀，模擬飛行；將蜜蜂飛經(jīng)的物理環(huán)境的圖像，投影在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的墻壁上。通過這種方式，可以探索視覺系統(tǒng)、大腦和身體如何協(xié)調(diào)合作，從而更好地控制機(jī)器蜜蜂的飛行。

另外，機(jī)器蜜蜂的大腦還得有足夠的能力，處理圖像傳感器傳來的數(shù)據(jù)流，做出適當(dāng)?shù)臎Q策，驅(qū)動(dòng)身體里的驅(qū)動(dòng)器。同樣，那些現(xiàn)成的先進(jìn)設(shè)備還是沒法用于機(jī)器蜜蜂。因此，研究人員一直在開發(fā)一類新的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，用于構(gòu)建機(jī)器蜜蜂的大腦，把通用計(jì)算與專用硬件加速器結(jié)合起來。與普通家用電腦中可以做任何事情的通用處理器不同，硬件加速器這種經(jīng)過精細(xì)設(shè)計(jì)的電路模塊只能做一件事情，但可以做得很好。這樣，即便在嚴(yán)格的功耗限制之下，也可以使用硬件加速器來快速并實(shí)時(shí)地進(jìn)行穩(wěn)定飛行所需要的計(jì)算。

前途無極限

當(dāng)然，飛行控制僅僅是個(gè)開始。同時(shí)，還要開發(fā)其他一些傳感器，讓機(jī)器蜜蜂完成某些特殊任務(wù)，比如去搜尋埋在地震廢墟中的幸存者。事實(shí)上，小巧靈活、簡單價(jià)廉的機(jī)器人，能比一些專業(yè)人員更有效地完成任務(wù)。例如，營救人員可以帶上一個(gè)重量不足1千克、裝有1 000只機(jī)器蜜蜂的盒子，在遭受自然災(zāi)害的野外，放飛這些機(jī)器蜜蜂，根據(jù)傷者的熱量、聲音、呼出的二氧化碳來搜尋、營救傷者。如果只有3只機(jī)器蜜蜂完成任務(wù)，其他蜜蜂都失敗了，對于整個(gè)蜂群來說，仍然是取得了成功。

雖然研究人員已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但要做的工作還有許多。他們預(yù)計(jì)，幾年之內(nèi)，機(jī)器蜜蜂將能在嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)條件下飛行。10年以后，它們將被廣泛使用。