智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 熊大宝
编辑 | 李水青
智东西4月3日(ri)报道，近日(ri)，宾夕法尼亚大(da)学研究人员(yuan)正在开发一项(xiang)机器人动力技术，让机器人像细胞生物一样，自由自主的(de)“觅食”和避险，而无需外部供能。
通常，为移动机器人(ren)供能(neng)有两个选择：内部储能(neng)或(huo)外部收集(ji)，例如电池、太阳能(neng)电池板。但电池蓄能(neng)越(yue)(yue)多越(yue)(yue)笨重，太阳能(neng)电池板无法快速、持续供电。
因此，工(gong)程(cheng)与应用(yong)力学系助(zhu)理(li)教授詹姆斯·皮库(ku)尔（James Pikul）与团队一同研发环境控(kong)制(zhi)电压源（environmentally controlled voltage source；ECVS），可有效弥合前两(liang)种技(ji)术(shu)的缺(que)陷(xian)，为移动机器人持续供能。
该研(yan)究发(fa)表(biao)于(yu)《高级智能系统（Advanced Intelligent Systems）》上，论文题目为《使用电磁法进行计算机(ji)自由自主导(dao)航和发(fa)电（Computer‐Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro‐Chemotaxis）》。
论(lun)文链接：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000255
一、自主觅食，通过“吃”金属来获得能量
皮库(ku)尔表(biao)示，研究灵(ling)感来自一种生物本能(neng)，那就是动(dong)物会通过寻找食物而(er)获得(de)动(dong)力。
团队研发的ECVS，正是(shi)能使(shi)机器人(ren)通过“找食物”而(er)运(yun)动起来，不过“吃”的是(shi)金属。
ECVS是一(yi)种有源(yuan)电(dian)(dian)路元件，通过(guo)氧化还原作用产生自由(you)电(dian)(dian)子，并从(cong)外表面的(de)化学键中提(ti)取电(dian)(dian)能。因此，ECVS可以(yi)在没有计(ji)算机(ji)的(de)情况下为移(yi)动(dong)机(ji)器人(ren)提(ti)供动(dong)力。
就像一(yi)个简单的生(sheng)物一(yi)样，这(zhei)些ECVS驱动的机器人(ren)现在(zai)能(neng)够寻找自己的“食(shi)物来源”，尽(jin)管它(ta)们缺乏“大脑”。
通过ECVS单元(yuan)驱动(dong)双轮，机器人(ren)表(biao)现出(chu)一种(zhong)基本的导航和(he)觅食(shi)能力，自动(dong)转(zhuan)向它可以“吃(chi)掉”的金属表(biao)面。
二、自主避险，像舌头一样感知、消化能量
他们(men)的(de)研究还概述(shu)了机器人无需中央处理器（CPU）即可(ke)实现的(de)更(geng)复杂行为。
在(zai)ECVS单(dan)元(yuan)的空间(jian)和顺序排列不同(tong)的情况下(xia)，机器人可以根据食物来(lai)源(yuan)的存(cun)在(zai)或不存(cun)在(zai)来(lai)执行各种逻辑操作。
皮(pi)库(ku)尔说，细菌能(neng)够通(tong)过一种叫做趋(qu)化(hua)(hua)的过程自主(zhu)地寻找(zhao)营养物质。趋(qu)化(hua)(hua)作用即生(sheng)物对外界环境(jing)中的化(hua)(hua)学(xue)物质刺激(ji)所产(chan)生(sheng)的定向运动的反应(ying)。在此过程中，它们(men)能(neng)够感(gan)知化(hua)(hua)学(xue)浓度的变化(hua)(hua)。
微型(xing)(xing)机器(qi)人与微生物有着相似的限制，无(wu)法携带大(da)型(xing)(xing)电池和复杂(za)的计算机。因此，皮库尔团(tuan)队探索如何让ECVS技术(shu)复制细菌这种(zhong)趋(qu)化行为。
▲ A）蚂蚁避免(mian)危险并跟随食物(wu)获取能量(liang)。B）合成模(mo)拟物(wu)的示(shi)意(yi)图，由沿(yan)金属(shu)燃料源导航(hang)，同(tong)时避免(mian)危险。C）移动机器人在没有计算机的情(qing)况(kuang)下沿(yan)着金属(shu)燃料路径行驶。
在实验中，他们将机(ji)器(qi)人放在铝表面(mian)上，从而为其ECVS单元(yuan)供电，并且(qie)展(zhan)示(shi)了ECVS单元(yuan)如(ru)何(he)让机(ji)器(qi)人“避险”，并将其导(dao)航(hang)到电能(neng)更丰(feng)富的地方(fang)。
一是能避开(kai)转弯处的绝缘(yuan)胶带(dai)。研究人员表明(ming)，如(ru)果机(ji)器人的EVCS单元(yuan)连(lian)接到另一边的车(che)轮，它(ta)将自动沿着金属铝(lv)表面行(xing)驶，避开(kai)绝缘(yuan)胶带(dai)。
二是能(neng)避开粘(zhan)性绝缘凝胶，机器人可(ke)以(yi)通过移动逐渐(jian)擦掉它。由于凝胶厚度与机器人的ECVS从其金属中提(ti)取的功率直接(jie)相关(guan)，研究人员能(neng)够证明机器人在转弯时(shi)对(dui)此类环境信号做出了(le)反(fan)应。
通过“避险”，机器人能更自主、持久、顺畅的移(yi)动。
皮(pi)库尔说，在某些方面，它们就像舌头一样既(ji)能感知能量(liang)(liang)，又能帮助消化能量(liang)(liang)。
三、“爬行”于废墟，自主机器人将更灵敏
通(tong)过(guo)了解ECVS单元可以(yi)获取能量的类(lei)型，研究人员可以(yi)设(she)计不同方案嵌入机器人中，以(yi)实现所(suo)需(xu)的导航类(lei)型。
皮库尔说，将(jiang)ECVS单元与(yu)电极相反的(de)电机(ji)接(jie)线可(ke)以让机(ji)器人避(bi)开(kai)他们不喜(xi)欢的(de)表面。通过接(jie)线方式的(de)不同(tong)，可(ke)以匹配(pei)机(ji)器人的(de)“生物”偏好(hao)。
重要(yao)的(de)是能够区分危险且(qie)需要(yao)避免的(de)环境，以(yi)(yi)及那些不方便(bian)且(qie)必要(yao)时可以(yi)(yi)通(tong)过的(de)环境。
随着ECVS技(ji)术的(de)发(fa)展(zhan)，它(ta)们可用于在自主、无计(ji)算机(ji)机(ji)器人中编程更复杂、更灵敏的(de)行(xing)为。
通过将(jiang)ECVS设(she)计与(yu)机器人(ren)(ren)需(xu)要(yao)操作的(de)环境相(xiang)匹配，皮库尔(er)设(she)想了小型机器人(ren)(ren)在废墟或其他危(wei)险环境中爬行，在保护自(zi)身(shen)的(de)同时将(jiang)传(chuan)感(gan)器送到关键位置。
皮库尔说(shuo)，如果(guo)我们有不同(tong)的(de)ECVS，这(zhei)些ECVS适应不同(tong)的(de)化学物质(zhi)，我们就可以(yi)让(rang)机(ji)器人避(bi)开(kai)危险的(de)表(biao)面，通过那(nei)些提(ti)供动(dong)力的(de)表(biao)面。
结语：微型机器人逐渐生物化
机器人(ren)学(xue)、人(ren)工智(zhi)能和人(ren)工生(sheng)命领域长期以来一直试图模仿生(sheng)物学(xue)的自(zi)主导航能力，最常见的是通过在(zai)计算机上运行的决策算法。
相比(bi)之(zhi)下(xia)，活性胶体(ti)、微型游(you)泳机器人和(he)微型移动机器人可(ke)以在没有(you)计算机的情(qing)况下(xia)自主(zhu)导航(hang)(hang)或远(yuan)离环(huan)境吸引(yin)剂或危(wei)害，像细胞(bao)生物的感官一般，做出导航(hang)(hang)、觅食、避险等决(jue)策。
正如未来学(xue)家(jia)凯(kai)文(wen)·凯(kai)利在《失控(kong)》中预测的那样(yang)：机器，正在生(sheng)物(wu)化(hua)。
来源：Tech Xplore
