苦活臟活交給昆蟲機器人

昆蟲或蠕動，或爬行，或飛翔。如今，它們也激發了創新靈感，無論設計機器人還是顯示屏都離不開它們。

當面臨兩條通向食物來源的路徑時，一只螞蟻也許不知道哪條為最佳，但蟻群卻能快速解決難題：單個螞蟻留下一種所謂信息素的化學物質痕跡，從而標記從蟻巢到美食的來回路線。隨著其他螞蟻跟進，信息素會沿最短路徑迅速聚集，增強氣味并引導整個蟻群行動。

蜂群也同樣匯集它們的資源來選擇定居點。數以百計的“偵查員”出發去搜索潛在的定居點，并折返反饋信息，其他“偵查員”則跟進飛出并選擇去留，直到共同選出某一特定的地方。這種“生死攸關的抉擇”利用了蜂群的集體智慧，換言之即是集思廣益的產物。

受這些昆蟲案例的啟發，工程技術人員計劃組建“小昆蟲”機器人團隊，來協同完成那些對于人類而言困難、危險或枯燥的工作。和自然界的昆蟲一樣，這些機器人系統趨于分散式，由一個個的機器人個體執行簡單任務，累計為集體成就。

“最終，我們還是要回到大自然中去觀察昆蟲的行為。”華盛頓大學的工程師、機械蜈蚣的設計師卡爾·伯林格說，“它們能做一些不可思議的事。”

制造出像螞蟻那樣的機器人

早在上世紀90年代，麻省理工學院的學生詹姆斯·麥盧金（James McLurkin）就決定制作出效仿螞蟻行為的機器人，這一大膽的想法源于“無拘無束本科生的瘋狂”。他設計的昆蟲機器人約有2.5厘米長，內置小型計算機、能幫助它們避開障礙物的光感器，以及兩臺馬達（其中一個負責移動，另一個操作上顎）。

2004年，作為麻省理工學院研究生的麥盧金，調集了104個機器人在廢棄的軍事建筑物中尋找一個隱藏物。每個機器人個體都通過紅外信號，與附近五六個相鄰機器人保持聯系。這群機器人不負眾望，順利鎖定了目標物。

這些成功的實驗讓麥盧金思考具有現實應用意義的應用程序，諸如地震后對幸存者的搜尋或對火星表面的探索。目前，作為萊斯大學的多機器人系統實驗室主任，麥盧金打算實現當年的想法。盡管他的第一只螞蟻機器人r-one已具有觸角和下顎，但不同于這些“前輩”的是，麥盧金的新模型并未體現出來自于自然的靈感，相反，它更似一個超大的冰球。每個機器人均由內部的鋰電池供電，成本約為250美元，這比早期的螞蟻機器人價格便宜近10倍。麥盧金希望把成本降到100美元，以便用于大規模搜索、救援或其他艱巨的任務。

用于救援的機器人

2007年，作為哈佛微型機器人實驗室的創始人，羅伯特·伍德成為了讓一種蒼蠅般大小，具有撲翼機構，由微型馬達驅動塑料翅膀的機器人起飛的第一人。該機器人的身體只有指甲般大小，由碳纖維打造，重量不足60毫克。同事力勸伍德本人打造此類“機器人艦隊”，并開發“蜜蜂機器人”項目。該項目歷經五年，涉及多學科如生物學、計算機科學和工程技術的風險投資等。

目前，常用的蜜蜂機器人尺寸仍然過大，重量達到600毫克，相當于伍德他們開發的個體的10倍重。其圖像處理系統模仿真實的蜜蜂影像處理過程，利用低分辨率拍照的“眼睛”，以連續快照方式向蜜蜂機器人的“大腦”傳輸信息。

重量極小是單個蜜蜂機器人的優點。伍德表示，一名消防員能夠在口袋里攜帶1000只這樣的機器人，它們全部的重量僅一磅。讓它們飛進燃燒的建筑中或在其周圍盤旋，可以為救援人員提供信息。也許某一天，蜜蜂機器人能夠跟蹤快速變化的事件，如森林火災、原油滲漏或化學灰塵等，或者還可以為花或農作物授粉——現在急需關注的是真正的蜜蜂種群正因疾病、化學毒素或其他原因而逐漸消亡。

目前，這款機器人的最大缺點是它必須與外部電源有線連接。盡管已實現無線化，但自由飛行仍是當務之急，伍德不想在完善其他設計元素之前“等著完美的電源問世”。當研究團隊中的一些成員試圖開發輕量級電源的時候，另一些人則忙于傳感器與制造工藝。伍德說：“所有這些工作都必須同時進行。”

工程技術人員還在設計算法，用以控制數以千計蜜蜂機器人的行為，讓它們完成諸如為植物授粉之類的任務。“我們的設計靈感來自于大自然，”哈佛大學的博士后卡提克·丹徒（Karthik Dantu）說，“但之后該怎樣實踐，則要從工程技術角度著手。”

“白蟻建筑師”

雖然白蟻因破壞木結構而臭名昭著，但它們也同樣是大自然偉大的建筑師。一只白蟻的體長不足2.5厘米，但是一群白蟻可以建造出10米多高、內部通道錯綜復雜的土丘。同樣引人注目的事實是，這樣一個大規模的建筑，在建設過程中竟沒有一位“監工”。白蟻們各自收集泥材、堆積成堆、修補漏洞或空缺，在沒有任何統一管理的情況下仍能修筑出一個如此復雜的建筑體。

哈佛大學的計算科學專家拉迪卡·納格普和她的同事正著手研制人工白蟻，這種“白蟻”與自然界真正的白蟻一樣，能夠建造比自己大得多的建筑物。每個白蟻機器人大約18厘米長、10厘米寬，看起來更像是一個由四輪混合驅動的倒置手推車。

白蟻機器人的夾具裝置能鉗取磚塊，可將磚塊向后面拋送，并堆放到恰當的位置。在單個白蟻成功構建10塊磚的樓梯后，研究團隊準備用三個機器人來建造一個約80塊磚的樓梯，這如同城堡結構那樣更為復雜。

白蟻機器人不是聽由指令操作磚塊和去向，而是根據編程時的設定從而抵達某一特定位置。如果那個位置高于正確的位置點，機器人將保持鋪設磚塊的狀態，直到它能到達那里才開始造樓梯。整個過程中，每個機器人都不需要與其他機器人協作行動。

哈佛大學的機器人專家尼爾斯·納普進一步開發出改良版的白蟻機器人，它們可以堆起重達幾磅的袋裝大米——類似于用沙袋加固堤壩或在一些危險地帶（洪災區域、受污的環境、水下及外太空等）實施搭建工作。

“蜈蚣提重器”

雖然對人類而言兩條腿已經足夠，但工程技術人員卡爾·博赫林格和他華盛頓大學的同事們想知道有什么裝置可以應付512條腿。他們的機械蜈蚣是通過類似于制作電腦芯片的精加工技術制造而成的，長度剛剛超過2.5厘米，重量不到0.6克。

為了實現運動，它的腿被設計成像三明治那樣，一個導電層楔入兩個絕緣層之間。電流脈沖每秒30次，每個脈沖峰值交替加熱不同的“三明治”夾層。加熱時，其中一個絕緣層的膨脹速度會比其他層快，致使腿交替彎曲和快速伸直，機器人因而能夠前進、后退，同樣也可以側向移動。

速度問題是這種蜈蚣機器人的一大缺陷，目前它每小時只能移動1米。在這樣的速度下，繞足球場一周將耗時4天多。博赫林格計劃加快它們的速度，也許能達到100倍，雖然這也并未快到足以吸引全美運動汽車競賽協會的車迷們。

由于此類蜈蚣可以承載自重7倍的重量，就此而言，作為一臺微型負荷機也許是其最佳運用。在去掉一些多余的設計后，博赫林格認為這種蜈蚣最終可以承載自重50倍的重量，這樣，它便可以用于火星樣品收集等任務。如果成功的話，它們的承載能力將能使機器人與螞蟻相提并論——這是一個罕見的實例，集中體現出現代技術與大自然的實際較量。

小強機器人來襲

蟑螂比白蟻更易受到人類的鄙視。然而，蟑螂有著快速行動能力，幾乎能無所不至——爬進狹小的空間，垂直移動或倒置——這讓它們不僅成為令人生畏的害蟲，而且成為機器人專家眼里一個極具吸引力的研究模型。

2009年，加利福尼亞大學伯克利校區的研究人員公布了一款自驅、自控橫趴式六足體，簡稱為DASH。這種替身蟑螂酷似一個長10厘米、寬5厘米并由六條延伸開來的腿所支撐著的雪橇。六足的設計確保了穩定性；當它運行時，它的腿是通過三腳架結構來接觸地面的。

伯克利分校的一名研究生保羅·伯克邁耶，曾是DASH原型機的設計者，后來為這個蟑螂造型的機器人增添了爪子。改良后的機器人簡稱為CLASH，它具有交替使用的腳，從而使其幾乎能垂直攀爬上一系列光滑或粗糙的表面，比如墻壁、沙發和窗簾等。

另一位研究生凱文·彼得森，增加了電動翅膀和尾巴使該機器人速度更快，已經超過每秒1.2米。這種改良版機器人也能夠爬上較陡峭的斜坡，以及跌倒時保持直立。彼得森從不同的高度拋出“DASH+Wings”（改良后的混合體），它幾乎總能安全著陸。

展望未來，伯克利團隊將為這些吃苦耐勞的昆蟲機器人研發應用程序。“我們可以送它們去那些危險或根本不適合人類停留的地方。”彼得森說，“機器人可以負責搜索爆炸物，檢查管道是否漏氣以及勘測橋梁。”蟑螂所到之處都是我們并不希望它們去的地方。“現在，工程師們扭轉局勢，著手研發生物機器人，使它們去那些人們不想去的地方。”