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军用机器人不仅可通过自身变形穿过狭小的缝隙
浏览: 发布日期:2018-12-06

  说起军用机器人,大多数人首先联想到的就是电影《终结者》里由金属材料制成的机器人,或是轮式、履带式、配备有机械手和传感器的笨拙机器。日前,一段人形机器人完美玩转后空翻的视频在互联网上流传开来,使人形机器人阿特拉斯一举成为“网红”。以希腊神话中力大无穷、可双肩支撑苍天的擎天神来命名,阿特拉斯果然不负众望,标志着机器人研究领域的又一次飞跃。当然,更令人吃惊的还有下面这种“以柔克刚”的机器人。哈佛大学发明了全球首个全自动章鱼仿生软体机器人“八爪怪”,软体机器人领域的科学研究即将进入飞速发展的突破性阶段。其实,无论是“软”还是“硬”,开展此类机器人研究背后都有着来自军事应用的巨大需求牵引,这些“软硬兼施”的机器人,也将在未来战场发挥独特的作战效果

  现有的机器人“王国”包括固定、轮式、履带式、双足及多足等不同“种群”。以双足和多足为主要特征的腿足机器人对恶劣地形环境适应能力更强、研制难度更高,代表着机器人研究领域的技术巅峰。长期以来,各军事大国都对腿足机器人研究展现出强烈兴趣

  通过不断改进升级,美国国防部高级研究计划局资助的阿特拉斯机器人,站立后身高可达1.75米,重约80千克,可以走路穿越各种地形、攀爬并扛起重物,手部还能完成开门和抓取物体的动作。那么,此次阿特拉斯进军“体操界”,为何惊艳世界?后空翻毕竟是个难度极高的动作,常人几乎无法企及,体操运动员也要训练多年才能完成。于人不易,于机器人更难

  阿特拉斯本身就是个“膘肥体壮”的大型双足机器人,除在移动过程中要保持平衡外,还需要用双腿来平衡体积庞大的上半身。为完成“后空翻”这个看似不可能完成的任务,阿特拉斯从起跳、空翻到平稳着地,整个过程需要手、脚、腰同时运动。它的“大脑”必须通过数学公式预先精确计算、规划好各个部件运动线路、方向和角度,然后机械地控制起、转和落地

  万事开头难。就起跳而言,阿特拉斯需要提前对整个过程进行精确规划。更重要的是,阿特拉斯要有强劲有力的“双腿”。即便是跳起来了,如果力量不够大,就不能给翻转留出足够的时间,更谈不上后续的动态调整。阿特拉斯目前已经配备了内置电池驱动,通过有效的电量管理,可在瞬间爆发出惊人的巨大能量

  其实,空中翻转过程才是真正“见功夫”的地方。阿特拉斯是一个多自由度、多刚体的机器人系统,姿态的精准控制异常复杂,需要机器人体内各类姿态传感器实时回传姿态参数。通过汇聚来自“身体”各个部位的姿态信息,阿特拉斯的“运动中枢”才能根据算法进行控制决策,不断优化各个部位的参数指标。在空中的阿特拉斯处于抛物线运动状态,必须通过改变姿态在落地前找准“亮相”的最佳姿态

  即便是一路“闯关”即将落地,阿特拉斯要想“平安着陆”也远没有想象的那么简单。落地过程需要应对冲击处理和保持平衡。无论是何种接触面,阿特拉斯在与地面接触的瞬间都将受到巨大的接触撞击。利用液压伺服控制系统,可以有效减轻瞬间冲击力。阿特拉斯的脚部也会安装多维力传感器,对脚的受力状态进行辅助控制。同时,落地一瞬间阿特拉斯的“关节”位置上移或下移一点,都有可能导致重心不稳而摔倒,因而对精准控制也提出了更高要求

  当然,通过身上搭载的激光雷达和各类传感器,阿特拉斯还拥有了避障和识别物体的能力。人们曾经让阿特拉斯在一块2厘米宽的木板上“金鸡独立”,它竟然成功坚持了20多秒。如今,阿特拉斯再次解锁“新姿势”,除可实现漂亮的后空翻外,它还变得更加轻便灵巧。即便是后空翻失误一不小心摔倒了,它也能自己爬起来,堪称人形机器人领域的“生命奇迹”

  未来的某一天,当你在街头遇到一只大摇大摆的“章鱼”,甚至它还会对你点点头、挥挥爪,请不要惊慌,这是目前已经研制成功的软体机器人。不久前,哈佛大学就研制出一款名为“Octobot”的软体机器人。这款软体机器人只有手掌大小,自带运动燃料,可通过调控内部气体实现自主运动,既不需要连接计算机获取指令,也不包含任何电子元件,不禁令人啧啧称奇。由于Octobot采用3D打印技术配合柔性材料制造,因而具备了完全柔软的“身体”

  软体机器人可不同于一般的钢铁“硬汉”,其采用的结构和材料包括硅胶、液晶等弹性物质,具有较高的自由度,不仅可以较好地适应外界环境,更可在外力作用下巧妙变身。软体机器人理论上具有无限多自由度,可实现灵活弯曲、扭转,即使遭受到外界撞击也不会对自身产生大的伤害。基于这一优良血统,软体机器人可在空间狭小、非结构化环境下完成常人难以匹敌的复杂任务

  “八爪怪”软体机器人其实相当于一个气动导管,通过内部的化学反应产生大量气体聚集压缩,并利用气体的压强变化实现机械运动。以往的软体机器人在运动上都存在通病,由于供能和控制部分通常需要连接机器人躯体,软体机器人在移动时背后经常拖着长长的电线,严重影响了软体机器人的自主运动。如今,“八爪怪”软体机器人通过躯体内部集成的运动器和控制系统自主运动,真正实现了健步如飞乃至飞檐走壁

  与普通机器人相比,软体机器人可通过内部化学物质实现颜色可变发光,并可通过充气增压和通道膨胀实现快速移动。目前研究的软体机器人可在30秒内迅速变身,一旦完成颜色转换,颜色层就不再需要动力来维持色彩,移动到特定位置后常常与背景难以区分。同时,一些软体机器人在设计之初就巧妙参照了仿生模型外观,利用3D打印工艺制造出来后简直可以“以假乱真”,肉眼不仔细观察真的难以分辨

  事实上,软体机器人的生产并不复杂,制作工艺相对较为简单。软体机器人“八爪怪”的“大脑”,是一个可控制八个触手运动的柔性微流控制芯片。在“八爪怪”出生的“产房”里,可以看到3D打印机、章鱼形状模具和用于3D打印的铂金属墨水等特殊材料。生产软体机器人时,首先将特殊材料倒入章鱼模具中覆盖微流控制芯片,之后通过3D打印机在软体机器人的身体里打印出可用于传递气体的中空管道。这个管道可实现软体机器人的身体与“大脑”相连接并实现信息传递。再经过一系列特殊的化学反应,一个栩栩如生的章鱼软体机器人就诞生了

  西方世界最早对机器人的探索可追溯到达芬奇时代。早在1495年,达芬奇就在手稿中设计出一个仿人型机器人。如今无论是人形机器人还是软体机器人,都凭借着其“一身特长”正掀起机器人家族的朵朵浪花

  从1992年开始,美国国防部高级研究计划局就投入巨资资助波士顿动力公司开展军用机器人的研究工作。除一手打造了“网红”机器人阿特拉斯之外,他们还有一款腿足机器人因酷似“木牛流马”至今为人津津乐道,那就是大狗机器人。大狗的真名为“步兵班组支援系统”,是由波士顿动力公司与美国国防部高级研究计划局共同研制的产物。大狗体重109千克,奔跑速度可达6.4千米/小时,最大爬坡度35度。与其说大狗是一只“机器狗”,还不如说它是一只“机器骡子”。大狗主要模仿四足动物,在地形复杂的战场上运送物资,能够携带辎重在崎岖不平的山路上行走30千米。不过,看起来不错的大狗被送到阿富汗前线后,使用起来声音极大,影响隐蔽性,且战场上难以修理,这才没有被正式列装到美军作战部队

  美国研制的大狗机器人,还专门配备了能控制躯体移动并处理传感数据的“智能芯片”,可在不同地形选择不同的运动和导航方式。美国国防部资助的“猎豹”机器人恐怕是世界上速度最快的机器人,时速可达45千米,采用的就是模仿猎豹的四足运动模式。目前人们还研制出名为“Petman”的机器人,甚至能在跑步机上完成锻炼,走路下蹲更是不在话下,足可见其强悍的运动能力。另一款腿足机器人RHex则“进化”出6条可旋转的机械腿,不仅能穿越各种复杂地形,还能在潮湿地区执行任务,即便是摔落山崖也能安然无恙。同时,腿足机器人也具有较好的“容错性”,即便是一个肢体发生故障,其他肢体依旧能够保持正常的作业。这也是相比轮式和履带式机器人的一大优势

  当然,软体机器人也是毫不示弱。传统的刚性机器人具有负重比低、柔性度差等先天缺陷,对环境适应能力也有待提高。相比之下,软体机器人堪称机器人家族的集大成者,更加适应未来的机器人智能应用。由美国国防部高级研究计划局和哈佛大学联合研制的软硅胶材料机器人,不仅可通过自身变形穿过狭小的缝隙“无孔不入”,更能牢牢攀附在任何物体表面上,还可通过改变“皮肤色调”与周围环境融为一体。更令人惊叹的是,这款软体机器人可在黑暗处发光并改变自身温度,而它由于使用模具制造,设计成本只有不到100美元

  无独有偶,由波兰研究人员研制成功的软体机器人,身体由液晶弹性体组成,可通过收缩推动身体进行移动,就如同毛毛虫爬行一般。这款软体机器人最大的亮点是可接受外界光的控制,当感受到外界光源变化时,机器人的形状也会发生相应变化,外界光的刺激更可以促使其身体产生相应的收缩移动。通过对光源进行控制,这款软体机器人能完成爬陡坡、钻进极其狭小空间等各种特殊任务。别看软体机器人个头小,它可是力大如牛,能轻易推动比自身个头大10倍的物体,甚至还可以在身体上安装微型摄像头和麦克风,可广泛应用于军事侦察、应急救援等领域

  现有的软体机器人大多参照自然界中的章鱼、海星等软体生物进行外观设置,相似度极高。希腊研究人员利用硅胶树脂研制出的章鱼机器人,放在水中移动时,甚至会有小鱼跟在身后游动。美国研究人员研制的GoQBot软体机器人具有和毛毛虫一样的滚动弹射能力。欧盟资助的“章鱼触手”项目通过研究章鱼本体和触手的全局协同运动和控制机理,开发了可在水下工作的仿生章鱼触手,并形成了一套行之有效的控制方法

  早在阿富汗和伊拉克战场上,美军的军用机器人就已经大展身手。但这些机器人大多是轮式或履带式,在实际战场应用中存在诸多限制。传统轮式机器人越障能力差、地形适应能力不高,且容易出现打滑、不够平稳等问题。履带式机器人对地形要求同样较高,远没有人们想象的机器人那么灵活方便。看似凶猛的机器人“大兵”上了战场,总有那么一种“呆头呆脑”的感觉

  相比之下,腿足机器人能站立、行走和奔跑,代表着未来军用机器人的重要发展方向。阿特拉斯如今不断解锁“新技能”,不仅激发了人们对于机器人的无限遐想,更有望实现美国国防部研制“机器士兵”的夙愿。或许不久的将来,军用机器人就将“跑步”上战场

  以阿特拉斯为代表的机器人能站立、行走和奔跑,还真有可能把未来战场搞个“翻江倒海”。这些已经开始执行侦察监视、警戒执勤和精确打击等作战任务的军用机器人,或将上演惊心动魄的机器人大战。未来战场情况复杂多变,阿特拉斯等机器人在山地作战和城市作战中,更能发挥出其机动灵活的特性,达到更好的作战效果。美国国防部资助的壁虎机器人,就有六条电动马达驱动的机械腿,爬树或翻墙都不在话下,目标直指特种侦察。就连大狗等腿足机器人未来也不仅仅是个“驮夫”,还能装上武器和装甲,成为步兵火力支援武器,更好地协同人类作战

  耗费心血研发阿特拉斯,人们也在为自己找寻一件“铁甲战衣”。阿特拉斯的后空翻说明,我们已经对人体运动有了相当了解,是仿生学的一大进步。试想,连阿特拉斯都有了强壮有力的“双腿”,人类为什么不能“拿来主义”?美国国防部早就利用同类技术研制可绑在美国士兵腿上的“机器腿”,也被称作外骨骼增强器。这种“机器腿”能让美军单兵背负物资重量大幅提升,还能减轻长期负重的劳累程度,加快行军速度,将每一名士兵变身为“机器战士”

  通过对阿特拉斯手脚活动能力的“参悟”,人们还将开发出更加神奇的“机械手”。目前,拥有机械手的人形机器人已经能够进入危险环境中作业,在处理核事故、爆炸物等领域具有巨大的应用前景。美国国家航空航天局已开始腿足机器人研究,意图设计制造出拥有灵巧双手的“机器宇航员”,在外太空实现远程指挥下的精密操控

  同时,作为学科交叉研究领域一颗冉冉升起的“新星”,软体机器人在军事领域同样可当大任。正是由于自身过于“软弱”,软体机器人才得以“以柔克刚”,在受到外界冲击和破坏时不易损伤,极大增强了其在复杂作战环境下的生存能力。同时,由于不具备电子元件,软体机器人在交错纵横的电磁侦察系统下较易躲避各类设备追踪。未来加装了专业侦察设备甚至是作战武器的软体机器人,可承担各类侦察探测任务,更可在敌人出其不意的条件下开展致命一击。目前,美国国防部高级研究计划局正在加速开展多项关于软体机器人的研究项目,尤其看重软体机器人可完全适应未来多样化军事任务的综合能力,将实现军用机器人技术的进一步发展

  在军事医学领域,“人小鬼大”的软体机器人还是当之无愧的医疗助手。软体机器人的硬度、柔软度和可拉伸程度与人体皮肤和肌肉较为接近,把它穿在身上或进行互动接触时亲和性较好。因此,软体机器人可作为假肢、人造外骨骼等可穿戴设备或用于模拟肌肉运动。同时,软体机器人在手术机器人领域的广泛应用将可有效避免传统金属机器人对人体组织的破坏。美国爱荷华州立大学研究人员发明的一种微型软管触手机器人,长度约为8毫米,内部却携带了强有力的动力系统,将在医疗领域得到重点应用

  当然,别看阿特拉斯和软体机器人们“身怀绝技”,它们的“从军路”依旧布满荆棘。目前人形机器人在完成同等任务时的能量消耗超过人类的100倍,软体机器人也存在携带能量严重不足的问题。此外,机器人的操控和平衡问题等仍是尚未完全解决的技术难题,依旧有待完善和发展



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