灵感来源于自然:仿生机器人能拯救地球吗?

当我们展望未来，先进的机器人技术将越来越多地融入我们的日常生活时，机器人可能帮助我们保护我们生活的星球的想法是一个特别令人兴奋的前景。

虽然“机器人拯救地球”听起来有点牵强，但我们现在正逐渐走向这样一个现实:机器可以为我们解决一系列重大的环境挑战提供所需的帮助:这些挑战是人类无法独自解决的，至少在不把自己置于危险之中的情况下。

搜索和救援行动就是一个例子。在地震、飓风或野火等自然灾害面前，对人类来说，条件不仅不可预测和危险，而且在许多情况下根本无法进入。然而，配备了先进智能技术的微型机器人可以承担这项任务，并调查难以进入的地区。

当今的许多机器人解决方案，在具备解决一系列环境问题的能力的同时，也在寻求自然本身的启发，以获得完成工作所需的品质。

处于这一趋势前沿的一家公司是牛津动物动力学公司该公司正在开发一系列智能系统和自动驾驶车辆，如无人机，设计时考虑到各种生物的简单而有效的运动。

该公司的工程主管梅兰妮·德麦罗(Melanie D’mellow)在总结公司的长期使命时说:“这是关于创造自动系统，让人们远离危险。”他说:“目前，后勤是我们的主要工作重点，因为在国防或人道主义领域，也许是救灾领域，在困难的地形上运送货物，在所有这些情况下，你都不希望人们驾驶卡车或飞机。你更愿意让无人驾驶的飞行器来做这件事。”

D’mellow解释说，虽然物流是目前的重点，但我们正在考虑一系列的应用。例如，在环境方面，该公司的“鹳”(Stork)飞行机器人解决方案可以用于作物测量和农业喷洒，精确控制喷洒，从而将污染降至最低。

“你可能会认为它看起来不太像一只鹳，但我真的想把生物灵感和仿生学区分开来，”D’mellow谈到stork系列汽车时说。stork系列汽车被描述为该公司目前的主要创新焦点。

“我们非常关注产品的需求和要求是什么——这是我们开始的地方，而不是‘我们想复制那种动物’。”

鹳STM是一种自主重型动力BVLOS(超越视线)伞式无人机，能够携带135公斤超过400公里，而鹳ST-25是一种较小的无人飞机系统，适用于最后一英里的物流，具有有效载荷空投、基础设施监测和激光雷达能力。

D’mellow说，研究鸟类由于翅膀跨度大，如何能够长距离承载载荷，动物动力公司的目标是利用这些能力作为灵感，同时结合所有其他必要的工程方面，如安全性和可靠性，以创建一个有效的解决方案。

她说:“另一个例子是，当你观察鸟类对阵风的反应时，它们通过收缩翅膀来改变翅膀的大小，它们有非常适应的表面来控制它们在风中的行为……我们目前有一个研究项目，研究如何拥有适应的翅膀，并更多地利用鸟类的灵感。工程师．

“但当它进入到产品中时，它并不真的像启发它的鸟或动物，而是在产品解决方案的细节中……仿生金块隐藏在所有这些产品设计层之下，但它就在那里。”

她指出，在设计鹳鸟解决方案时，考虑到了尽可能环保，其中一个好处是机翼的效率，并在不需要大量能源的情况下实现数百公里的航程。该公司还在进行可持续燃料来源的研究，着眼于氢燃料电池和潜在的生物燃料。

在该公司的其他仿生技术领域，Animal Dynamics公司的无人水下系统“Raydrive”还处于概念验证阶段。该系统采用了一种扑翼推进技术，灵感来自蝠鲼的滑翔运动。

“如果你观察螺旋桨，它们会被水草和绳索缠住，噪音很大，在旁边游泳很危险，”德麦罗说。“这启发了(我们)研究一种扑翼式水下航行器……鳐鱼和比鲽鱼可以坐在非常泥泞、咸的、杂草丛生的地面上，而不会被缠住，所以这就是这个想法的来源。”

D 'Mellow补充说，这架原型机显示出了很好的效果，并解释了该公司如何仔细研究机翼的设计和结构，以使它能够创造出缓慢的、扇动的蝠鲼式行为。

“我们发现了一些很好的见解，了解需要什么样的机制，如何驱动机翼，如何在不同方向操纵机翼的刚度和弹性来获得运动。”

虽然还处于早期阶段，但该公司已经有了一些关于这些技术未来应用的想法，
她说。

“我们想了很多，如果无人机在海洋中游荡很长时间，它们能做什么。也许是在水里取样，也许是在海洋里四处旅行记录下发生了什么。如果一群迷你蝠鲼在调查海洋并反馈数据，那就太棒了。我们会学到很多东西。”

在英国的其他地方，布里斯托尔大学的一个团队使用一种新的机电压缩方法，为扑翼自主机器人开发了一种新的驱动系统。该团队不需要传统的马达和齿轮，希望为新一代微型飞行机器人铺平道路。

与Animal Dynamics一样，该团队的工作包括从蜜蜂和其他飞行昆虫中寻找灵感，以促进下一代昆虫大小的机器人，能够部署在危险的环境中。

该团队由布里斯托尔的机器人教授乔纳森·罗西特领导，开发了一种直接驱动的人造肌肉系统，被称为LAZA -液体放大拉链驱动器-实现机翼运动。

罗西特说:“人造肌肉很棒，因为它们可以取代传统的发动机和齿轮箱，这是你在装配线上看到的制造机器人的东西——这些机器人很适合制造汽车，但不太适合人类互动或与环境互动。工程师．

“如果我们能让马达转动，或者用人造肌肉代替它们，我们最终会得到一个更有效、更自然、更生物的系统。”

LAZA系统的工作原理是直接在机翼根部施加液体放大的静电力，这就无需使用传统的传动系统。

该系统的开发者和研究论文的主要作者Tim help博士解释说，使用电荷来实现扑翼运动之前导致性能低下，因为高压会导致火花在电极之间跳跃，从而导致一些力的损失。研究小组发现，通过加入一滴绝缘液体，力被放大了十倍，help说。

他补充说:“一旦我们有了这些，我们就开始改善机翼的质量，这样我们就可以获得向前推力，实现被动俯仰，总体上改善系统的性能。”

在演示中，该团队发现，该系统可以在超过100万次循环中提供一致的振荡，这一进步显示出让机器人完成长途飞行的希望。研究还发现，与同等重量的昆虫肌肉相比，这种翅膀能提供更多的动力，足以让机器人以每秒18个身长的速度飞过一个房间。

“这个系统的优点是简单，这意味着它可以缩小，我们也对系统做了一些规模分析，你把这个东西做得越小，它对自己的体重就越强大，”help博士说。

他们面临的挑战包括优化机翼收缩肌肉的方式，以及如何设计机翼。正如help指出的那样，大自然已经有数百万年的时间来测试这些周期，而研究团队不得不在相对较短的时间内进行这项研究。

该团队的下一步工作包括采取结构，并使其尽可能小:毫米大小，该团队希望能够在今年夏天结束前演示;最终到达千分尺。

除了使这些机器人结构变得微小的动力和简单的优势外，对环境的好处也是显而易见的，他们设想了昆虫大小的飞行机器人的广泛应用。这些措施包括检查风力涡轮机，关闭核电站，甚至为植物授粉，以帮助我们日益减少的蜜蜂数量。

“目前，检查风力涡轮机是一件非常昂贵和浪费的事情，”help说。“我们的设想是，你会有一群这样的机器人，它们飞到风力涡轮机上，它们可以使用无损技术，比如测量振动，来检查涡轮机的健康状况。”

Rossiter解释说，探索生物可降解材料以确保机器人能够无害地降解到环境中，这也是该团队的一大重点。这样，如果机器人在野外失败或丢失，它们就会被自然吸收，而不会造成不必要的伤害。

对于被help称为驱动器“特殊酱料”的绝缘液体，研究团队使用了硅油，但也试验了各种常见的可生物降解食用油，如植物油和葵花籽油。

罗西特总结道:“我认为对我来说(令人兴奋的事情)是它的简单。”“我们可以想出一个非常复杂的解决方案，很难放大或缩小，但蒂姆扇动的翅膀非常简单。

“大自然做事情很简单，因为这是最低的努力，最优的方式，我们希望这是最低的努力，最优的方式。大自然真的很擅长这一点，这是关键。”

布里斯托尔的飞行昆虫机器人可以在陆地上完成各种环境监测任务，而在更远的地方，美国的研究人员正在使用潜水机器人解决方案来完成一项特殊的水下监测挑战:探索格陵兰岛的冰川。

这款名为“冰下Nereid”(NUI)的远程操控工具是由英国皇家科学院的工程师开发的伍兹霍尔海洋研究所在马萨诸塞州。现在，德克萨斯大学奥斯汀分校的一个团队领导的一个任务将看到NUI机器人从三个格陵兰冰川收集样本:Kangilliup Sermia, Umiammakku Sermiat和Kangerlussuup Sermia。

格陵兰岛的冰川构成了世界上第二大冰原。它们被认为是由沙墙(冰碛)自然稳定下来的，机器人将从那里收集并返回沉积物样本。由机器人的机械臂取回的样本所揭示的数据，有望对未来海平面上升产生更准确的模型预测。

NUI将在航行过程中绘制海底地形图，导航具有挑战性的条件和障碍，如冰山和激流。

“我们知道，冰川和冰盖下的地形对冰的运动起到一级控制作用，但随着冰川侵蚀基岩并在终端沉积沉积物，地形会随着时间的推移而变化——冰川擅长侵蚀，”德克萨斯大学杰克逊地球科学学院的任务负责人金妮·卡塔尼亚教授说。

“我们的研究将首次实地测量冰川终端的沉积速率。我们还将了解沉积的过程，这样我们就可以建立一个与冰流有关的沉积方程，用于冰盖模型。”

WHOI高级工程师兼项目联合负责人Mike Jakuba解释说，在自主操作时，该飞行器将使用向上和向下观察的测距声纳，与海底和头顶的冰层保持安全距离。

他说:“仅凭这一策略是不允许进行近距离检查或采样等需要登陆海底的活动的。”在这些任务中，NUI的系绳将让操作人员直接驾驶飞行器。飞行员将依靠成像和测距声纳以及摄像头来可视化飞行器周围的环境。”

Jakuba补充说，NUI的系绳技术将使ROV的系绳、导航、视频和操纵技术与AUV技术(如电池、自主操作和声学通信)结合在一起，提供独特的能力。

NUI通过一根长40公里、细如发丝(250um)的裸光纤电缆与主船上的运营商连接。该系绳允许NUI在距离主船10公里的地方运行，同时仍然在飞行员的直接控制下。”

NUI的建造考虑到了危险的环境——Jakuba强调，在开阔的水域中，机器人在遭遇严重故障时通常可以浮到水面上进行维修，但这种策略在这个项目中是不可行的，因为潜在的覆冰和安全问题会阻止船只接近冰川进行救援。

他说:“像电池和推进系统这样的关键系统被设计成冗余的，能够抵抗单个单元的故障。”

“关于系绳，车辆的设计是为了适应与操作人员突然失去通信。在通讯中断的情况下，NUI将切换到自主操作，等待操作人员发出声音指令。事实上，潜水器甚至可以继续下潜，例如从采样切换到绘图。”

通过收集到的冰碛的“推核”样本，科学家们可以直接研究沉积颗粒大小，Jakuba认为这对理解形成冰碛的沉积过程至关重要。

无论是从大自然的设计中借鉴，还是简单地评估地球面临的环境挑战，并填补空白，帮助人类应对这些挑战，很明显，机器人技术将越来越多地出现在我们的生活中。

我们还没有看到许多环境应用创新的全部潜力，但随着气候威胁的迫近，我们肯定可以从援助之手中受益。