昆蟲模型機器人的分類及在多個領域的應用

顏笑飛+高軍暉

摘 要：昆蟲有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、彈性關節、伸縮肌肉等。這些特點為我們設計微機器人提供了基礎。昆蟲模型機器人已經廣泛地應用在人類生活的各個方面，本文是一篇綜述，論述了昆蟲機器人的分類及在多個領域的應用。在昆蟲機器人分類部分，本文從材質、運動方式、原型物種等多個角度進行了論述。在昆蟲機器人應用部分，本文從航空航天、醫療、軍事、農業、家庭等多個領域進行了論述。

關鍵詞：昆蟲機器人 分類 應用

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

昆蟲只有104～106個神經細胞，其運動是簡單的機械運動，例如往復運動。但這些運動看起來非常協調和靈活，這就是為什么我們正在開發基于昆蟲模型的機器人[1]。

我們對昆蟲的了解對我們在微機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、彈性關節和伸縮肌。這些特征為我們設計微型機器人提供了基礎[2]。

馬薩諸塞理工學院教授羅德尼·布魯克斯（Rodney Brooks）說：“建立長期目標的原因是因為昆蟲在現實環境中的活動非常成功，而且比傳統機器人更為優越。”

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

本文論述了昆蟲模型機器人的分類及在多個領域的應用。

1 昆蟲機器人的分類

可以從多個角度進行分類。從材質進行分類，可以分為金屬、聚合物、碳纖維等昆蟲機器人。從運動方式進行分類，可以分為爬行、跳躍、飛行、游動、蠕動等昆蟲機器人。

從原型物種進行分類，有很多種，在文獻[3]中，張星整理了以下類型的昆蟲機器人：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是一家德國機器人制造商，開發了一系列由螞蟻、蝴蝶和變色龍啟發的仿生機器人[4]。仿生螞蟻Bionicants（見圖1）的長度為13.5cm，運行在兩節7.2V的電池上。BionicANTs中的“ANT”是“獨立網絡技術”英文縮寫中，在未來的工廠，生產系統將由智能適應性組成，可由高層次的控制系統操作。

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，可以通過傳感器跟蹤光電鼠標安裝在胸前。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，調整自己的動作。

2 昆蟲機器人的應用

昆蟲機器人的應用領域有航空航天、醫療、軍事、農業、家庭等，下面分別論述。

2.1 航空航天

早在1969年，美國就開發了一種用于月球探測的跳躍機器人[5]。NASA的三代彈跳機器人均屬于間隙性彈跳機器人，彈跳機器人實現了起飛角度和起飛方向的動態調節，而且實現了實時控制和無線通信計算機。原型實現遠程控制在更規則的地形環境中自由運動，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動形式。

斯坦福大學教授馬克·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。“粘性”機器人可以用作行星探測器或救生裝置使用[6]。

2.2 醫療領域

加州大學伯克利分校、達特茅斯學院和杜克大學的研究人員表明，如何使用單一的電子信號來指導一組小型機器人將其組裝成更大的結構[7]。研究人員希望以這種方式建立生物組織。想象一下像發絲一樣的微型機器人在您的血管中游泳并修復損傷，或者在計算機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器人的設計與研制，這篇文章也談到了該機器人在生物醫學領域的應用[8]。在生物醫學領域，生物細胞操作非常重要。在基因工程中，基因敲除和轉基因動物是基本的研究工具。為了制造這些基因敲除和轉基因動物，必須處理直徑為80～120μm的卵細胞。對于人工授精，需要同時處理60μm長的卵子和精子細胞，并具有亞微米的定位分辨率。膜片鉗實驗也需要操縱卵細胞。這些生物醫學任務是由手動控制的倒置顯微鏡上安裝的操作器執行的。由于這些任務需要幾百個卵細胞進行單個實驗，因此需要對微米級精度進行自動注入，以提高處理效率，減少研究人員的手工負擔。

2.3 軍事領域

克拉克學院生物學教授劉易斯·凱勒通過設計軟機器人來研究動物運動的生物力學[9]。他說：“網絡蠕蟲如機器人可用于各種領域，例如新一代內窺鏡、移植和假肢。雖然機器人身體比一個真正的蠕蟲更簡單，只有幾個細分，但似乎運動非常重要。我預測，未來10年，我們將改變人造肌肉、手機、便攜式電腦、汽車等眾多產品的形狀。”新研究得到了美國國防部高級研究項目機構的支持。

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

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

2.4 農業領域

華沙理工大學的研究人員為了人工授粉發明了第一臺機器蜜蜂[12]。該機器蜜蜂是一架小型無人機，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。其發明者工程師RafalDalewski表示，這種機器人已經在該領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對世界授粉蜜蜂持續下降的狀況。Dalewski稱，2015年夏天他們進行了一次測試，這種人工授粉方式已經獲得了第一粒種子，證明了機器昆蟲的授粉能力和真正的蜜蜂幾乎相同。endprint

Dalewski承認，機器傳粉者不可能完全取代昆蟲，但是作為昆蟲傳粉的補充。工程師拒絕評價機器昆蟲是否比昆蟲授粉效果略勝一籌。但實際上，這種機器不僅可以輔助自然授粉，而且可以以一種巧妙的方式進行，因為它可以通過計算機程序編程集中在一個特定區域，找到某一特定類型的花朵授粉。華沙理工大學發明了飛行和著陸兩種類型的無人機，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自動工作。這些無人機也可以作為肥料或者殺蟲劑的智能分配器適用于精準農業。

該大學希望首個機器蜜蜂原型于2017年開始正式投入使用，并在兩年內大規模生產。因為許多作物依賴的傳粉昆蟲在每年的死亡率逐漸上升，所以該發明特別重要。特別是在農業高度發達的國家，缺乏授粉昆蟲將嚴重影響到農作物生產。2014年歐盟展開了首個關于蜜蜂死亡率的研究，根據數字顯示，在不同國家的蜜蜂死亡率達3.5%～33.6%。如果蜜蜂不傳粉，農業產量會大幅下降，植物的種植會受到嚴重威脅。

2.5 家庭應用

廣西師范大學龍瓏、鄧偉等研究家庭安全機器人[13]。為了提高機器人對家庭復雜環境的適應性，節省制造成本，安全機器人采用蜂窩體和六腳鉸接機械結構。蜂窩式機器人不僅可以節省大量的制造材料，還可以增加安全機器人的肢體空間，使安全機器人保持優異的穩定性和適應性。

智能控制系統安全機器人對安全機器人每個腳趾進行精確控制，研發小組擁有低成本的小型直流發電機，在每個腳踏機器人中安裝多個腳端壓力傳感器，確保安全機器人能夠快速感應復雜的地形。但考慮到生產成本，提高產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℃，可適應大部分家庭環境溫度。

3 總結與展望

本文通過文獻資料的查找與整理，論述了昆蟲模型機器人應用在人類生活的多個方面，包括航空航天、醫療、軍事領域、農業、家庭等多個領域。我們相信，隨著科技的發展，昆蟲模型機器人將會更好地服務于人類。

參考文獻

[1] 馬紅.仿昆蟲式微機器人[J].機器人技術與應用，1999（1）： 18-19.

[2] 王志成.無所不能的仿生超微昆蟲機器人[J].少年發明與創造：中學版，2012（5）：38-39.

[3] 張星.昆蟲式超微型機器人一覽[J].開眼界，2007（8）：8.

[4] BionicANTs仿生螞蟻[EB/OL].http：//www.72byte.com/product/bionicants.

[5] 李保江，朱劍英.彈跳式機器人研究綜述[J].機械科學與技術，2005，24（7）：803-807.

[6] 美國壁虎式機器人可在墻上行走[J].創新科技，2006（10）：55.

[7] 克里斯提那·格里凡蒂尼.超微型機器人修復人體組織[J].中國孵化器，2011（9）：26-27.

[8] OhmiFuchiwaki.Insect-sized Holonomic Robots for Precise，Omnidirectional，and Flexible Microscopic Processing：Identification，Design， Development.and Basic Experiments[J] Precision Engineering，2013，37（1）：88-106.

[9] 中國經濟網.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：利用機器蜜蜂給作物授粉[J].中國果業信息，2017（1）：40.

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