自然界才是最好的老師 來看看機(jī)器人版“動物世界”吧

在過去的十幾年里，F(xiàn)esto 陸續(xù)推出了海鷗、企鵝、蝴蝶、螞蟻、水母、蜻蜓、袋鼠等多款仿生機(jī)器人。

各種仿生學(xué)的機(jī)器人我們已經(jīng)見了很多，比如之前介紹的仿生鮣魚、蜜蜂機(jī)器人，還有波士頓動力的機(jī)器狗，它們都是模仿一種動物的習(xí)性，然后獲得了與其類似的能力。不過要說對仿生機(jī)器人研究最全面、最執(zhí)著的團(tuán)隊(duì)，我想 Festo 一定是其中之一。

Festo 是一家德國的自動化公司，在過去的十幾年里，他們陸續(xù)推出海鷗、企鵝、蝴蝶、螞蟻、水母、蜻蜓、袋鼠等多款仿生機(jī)器人，涵蓋了海洋生物、鳥類、昆蟲、哺乳動物等。最近，F(xiàn)esto 又推出兩種新型仿生機(jī)器人，一個是蝙蝠，另一個是蜘蛛。

制造這么多的仿生機(jī)器人，他們是想創(chuàng)造一個機(jī)器人版的“動物世界”嗎？

可自主飛行的“蝙蝠機(jī)器人”BionicFlyingFox

這些各式各樣的機(jī)器人全都來自 Festo 的仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，核心團(tuán)隊(duì)由工程師、設(shè)計(jì)師和仿生學(xué)家組成。這次推出的蝙蝠機(jī)器人 BionicFlyingFox 原型是狐蝠，開發(fā)人員仔細(xì)研究了這種生物的特性，并以技術(shù)手段模擬了它獨(dú)特的飛行模式。通過集成電子板和外置運(yùn)動追蹤系統(tǒng)的配合，人造狐蝠能夠在特定空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)半自主飛行。

狐蝠的一個典型特征是它精細(xì)而富有彈性的翼膜，在飛行時，它能用手指控制翼膜的曲率，從而在空中靈活飛行。即使是在慢速飛行時，也能獲得最大的升力。就像自然界的狐蝠一樣，人造狐蝠的翼也由手肘兩個關(guān)節(jié)組成，上面繃了一層有彈性的翼膜，一直延伸到后肢。它的兩翼展開寬度為 228 厘米，體長為 87 厘米，整體僅重 580 克。這樣一來，人造狐蝠的所有關(guān)節(jié)也都處于同一平面，就可以單獨(dú)控制以及折疊雙翼。

專門研制的翼膜通過約 45000 個點(diǎn)緊密地焊接在一起，所以具有足夠的彈性，即使在收起雙翼時，也幾乎沒有褶皺。蜂窩結(jié)構(gòu)可以防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，即使翼膜出現(xiàn)輕微損傷，BionicFlyingFox 仍能繼續(xù)飛行。

運(yùn)動追蹤系統(tǒng)的重要組成部分是兩臺紅外相機(jī)，它們被安裝在一個云臺上，相機(jī)可以隨意轉(zhuǎn)動傾斜，以便追蹤 BionicFlyingFox 的整個飛行過程。借助兩翼與兩條后肢的四個特殊紅外標(biāo)記，相機(jī)能夠識別人造狐蝠的運(yùn)動。

運(yùn)動追蹤系統(tǒng)能夠持續(xù)檢測它的位置，同時規(guī)劃飛行軌跡，并提供必要的控制指令。人可以手動控制飛行物的起飛與降落。在飛行中，則由自動駕駛儀掌管飛行任務(wù)。

相機(jī)捕捉的圖像會傳送至中央主機(jī)，然后主機(jī)來評估數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)飛行。預(yù)編制的飛行路徑能夠提前確定 BionicFlyingFox 飛行時的軌跡。人造狐蝠從中央主機(jī)處獲得必要的控制算法，機(jī)器學(xué)習(xí)會對算法進(jìn)行不斷的改進(jìn)。通過這種方式，BionicFlyingFox 就可以優(yōu)化飛行行為，更精準(zhǔn)地沿著既定軌道飛行。

連滾帶爬的“蜘蛛機(jī)器人”BionicWheelBot

另一個新型的蜘蛛機(jī)器人 BionicWheelBot 更有意思，它的原型是摩洛哥后翻蜘蛛，為了適應(yīng)沙漠環(huán)境的生活，它有一種獨(dú)特的行走方式，通過空中翻轉(zhuǎn)與地面翻滾的組合來移動。而這樣的驅(qū)動方式在仿生學(xué)中有重要意義。

摩洛哥后翻蜘蛛的移動方式完美地適應(yīng)了生存環(huán)境。在水平地面上，翻滾移動的速度是普通行走的兩倍，在顛簸的地面上，則可對動作予以分解。在兩種地形相互交替的沙漠環(huán)境中，這種生物能夠安全快速地進(jìn)行移動。

摩洛哥后翻蜘蛛的發(fā)現(xiàn)者是 Rechenberg 教授，BionicWheelBot 的運(yùn)動和驅(qū)動機(jī)制正是由他和 Festo 的仿生學(xué)團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)。開始翻滾時，BionicWheelBot 會將身體左右兩側(cè)的三條腳變成“車輪”。兩條在行走模式下折收起來的腳這時會獲得釋放，并推動變?yōu)榍蛐蔚闹┲肭斑M(jìn)，同時在翻滾過程中提供沖力。這樣能夠防止 BionicWheelBot 停下來，并確保其可在粗糙的地面上前進(jìn)。

在翻滾模式下，人工蜘蛛和自然界的摩洛哥后翻蜘蛛一樣，可以比行走時更快地移動。這款機(jī)器人甚至能夠應(yīng)對高達(dá) 5% 的坡度。

“動物世界”的真正目的是什么？

Festo 的仿生機(jī)器人做得很真實(shí)，看著也挺好玩，但從其機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)中也可以看出，它們的研制可并不簡單。為什么 Festo 要花如此大的力氣，做這些看起來很有意思卻沒什么實(shí)際作用的仿生機(jī)器人呢，難道真的是為了“動物世界”？

正如上面所介紹的，F(xiàn)esto 本身是自動化領(lǐng)域的領(lǐng)先者，仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的建立，正是為了從自然界中汲取仿生學(xué)的靈感，并應(yīng)用到新技術(shù)中，為工廠自動化和工藝過程自動化提供新動力。當(dāng)然，對于 Festo 來說，這些看起來很酷的機(jī)器人就像是個“活招牌”，可以向外界展示出 Festo 的方案解決能力，吸引更多人才和合作伙伴。

無論離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)，各種仿生機(jī)器人的研究都在向我們展示一個未來可能的場景，那就是不管地球環(huán)境怎樣變化，自然界永遠(yuǎn)是人類最好的老師。尊重生物多樣性、保護(hù)環(huán)境，是科技發(fā)展中不可忽視的價值堅(jiān)持。