小蚂蚁大智慧!澳借鉴“军蚁搭桥”现象打造特种机器人
2015-11-30 10:29:00   来源:中国新闻网
内容摘要
军蚁善于用身体搭建临时桥梁,极大地平衡了成本和效益问题,而科学家可以借鉴军蚁这项“集体智慧”,仿造特种机器人。科学家们的研究可以帮助工程师开发机器人系统,仿造特种机器人,在人类无法触及或危险地方,进行探索和救援工作。

 

成群结队的勇猛军蚁以搭建身体桥梁著称,可以在数秒钟内快速拆桥和搭桥,这使得它们可以跨越很远的地方。

悉尼大学里德教授(Chris Reid)与美国和德国的科学家们正在新泽西理工学院进行一项有关军蚁的合作研究。他们通过视频拍摄捕捉到和分析了军蚁搭桥画面。

参与研究的里德教授表示,军蚁可以用它们最快的速度通过未知或有潜在危险的地形。之前大家错误认为军蚁搭桥后保持相对静态的结构,其实军蚁会因地制宜调整它们的“桥梁”,改变位置寻找最佳捷径,随时扩大“桥面”,适应更大的蚂蚁交通流量。

里德教授发表在《美国国家科学院院刊》的研究成果,详细描述了蚂蚁迁移身体桥梁的过程。他称,在藤条和树枝交叉地方游走的蚂蚁,通过搭桥缓缓向其他地方移动,创建捷径,逐渐增加“桥梁”的长度,不断添加新蚂蚁,在完成搭桥之前都保持悬挂半空的状态。他表示,尽管军蚁可以通过生物桥梁缩短游走时间,但是它们也要保证有足够数量的蚂蚁完成其他重要任务。当它们搭桥时,必须平衡成本和收益问题。

 

里德教授表示,过去大家总是使用单个又昂贵的机器人,而这些机器人团队行动却无法紧密结合,如果没有事先程序设定,就不能应对复杂多变的环境。目前蚂蚁的团队合作能力远超过最好的机器人。里德教授认为,成群的机器人执行类似于蚂蚁行动的命令,或将更好地适应复杂多变的环境。他称,一群仿造蚂蚁的机器人可以偶尔适当损失几个,对整体几乎无任何影响。曾经让单个又昂贵的机器人束手无策的损失,仿造的特种机器人都可以应对。

据悉,科学家的这系列发现对自组装系统的研发有所影响,如研发可变形的特殊材料和自调控的机器人族群等。这些系统都依赖于群体智能,一种建立在自组织系统集体行动上的人工智能。这些自组织系统是小型独立集合体自建的结构或模式,不存在中心控制体。

自然界中的昆虫如蚂蚁和蜜蜂都是没有一致的中心控制体,整体的行动不是由个体决定。里德教授表示,这样使得群体比个体获得更大的信息量,科学家可以这些行为中获得很多灵感。

 

德国研制仿生蚂蚁机器人有望取代工人

目前,德国工程师最新设计一种机械蚂蚁,它能够模拟蚂蚁种群之间的协同合作行为,这些微型机器人具有个人决策能力,像一支研究小组在工作。研究人员指出,未来机械昆虫有望替代工厂里的工人。

据悉,机械蚂蚁其大小与人类手掌十分接近,是由德国费斯托工程公司设计的,旨在展示在自然环境下的合作行为。像真正的蚂蚁一样,仿生蚂蚁机器人遵循简单的规则设定,能够自主进行操作,能够同一时间一起完成大规模、复杂的任务。

 

机械蚂蚁主体材料是塑料,它的身体是3D打印制造的,它的腿部爪子和嘴部钳子是陶瓷致动器,它能够精确、很容易地使用较少能量。其头部有3D立体摄像头,触角是一个充电装置。可移动部件,如腿和下颚等,有20个“三角压电陶瓷弯曲传感器”,能够快速高效的移动,并且可以进入很小的空间。机械蚂蚁底部有光学传感器,可以使用地面的红外线标记进行导航。

 

自然界“无间道” 让动物“屈服”于机器人

闯入蟑螂家族的“不速之客”

几年前,一群美国蟑螂发现,在它们的群体中突然出现了4个“陌生新成员”,蟑螂很快接受了这些“陌生人”,并欢迎它们加入自己的大家庭。然而,“陌生人”可不甘心只做这个大家庭中的“普通人”,它们开始积极地影响并改变着这个群体的行为。蟑螂大家族也许永远也想不到,“陌生人”根本不是真正的蟑螂,甚至连昆虫都不是,它们是长得很像蟑螂的微型移动机器人。

原来,蟑螂和蚂蚁、蜜蜂一样,都是社会性动物,会表现出一些集体性的行为。根据这一规律,科学家通过预先编写好的设计程序,让这些“机器人蟑螂”诱骗真正的蟑螂跟随它们做出同样的举动,进入平日里蟑螂都不愿去的光明地带。

研究人员首先制造了一批从外观到细节都足以以假乱真的“蟑螂机器人”。因为蟑螂是通过气味来识别同伴的,所以研究人员将火柴盒大小的“蟑螂机器人”包裹在被蟑螂体味素浸泡过的滤纸里,让它们“闻上去”也和真正的蟑螂毫无二致。大功告成,现在,这群机械“陌生人”可以毫无障碍地与那些有血有肉的“同伴”进行社交啦!

接着,研究人员将十多只真正的蟑螂安排在两个实验场地里,两个场地由一条路径相连,其中一个场地光线充足,另一个则异常阴暗。一开始,几乎所有蟑螂都选择长时间呆在那个阴暗的场地,只有约四分之一的时间中,它们才会选择到那个相对明亮的场地活动。接着,“蟑螂机器人”神不知鬼不觉地混入了蟑螂群里,一步一步实施它们的“伟大计划”。最终,这个被“蟑螂机器人”策反的群体,开始慢慢喜欢上那个明亮的场地,进入其中的概率增加到了61%。

 

维护水域生态环境,“机器鱼”功不可没

与制造陆地上的“蟑螂机器人”相比,制造水生动物的机器人显然更有难度。纽约大学理工学院工程师莫里泽奥·波尔菲利设计制造了一系列鱼类机器人,而他的目标,是用它们保护野生海洋生物。“所有这些技术的灵感都来自于大自然,但人们却从来没有将这些技术回馈自然界本身。” 莫里泽奥·波尔菲利说。

波尔菲利在2014年发表的一篇论文中表示,在过去的一个世纪里,美国某些地区的居民会有意识地将食蚊鱼引到新的栖息地里,因为食蚊鱼有吞噬蚊子幼虫的习性,居民们想以此来减少当地蚊子的数量,甚至消灭蚊子。不过,食蚊鱼除了喜欢吃小蚊子,也很爱吃两栖动物和鱼类的卵或幼仔,这对当地的两栖动物和鱼类形成了巨大的威胁。且食蚊鱼耐污染、适应力强、繁殖能力高,被引入后将严重影响当地的物种平衡。

不过,波尔菲利在食蚊鱼的原产地找到了它们的天敌,一种与斑马鱼相似,长着黄色脑袋和蓝、银相间躯体的鱼。波尔菲利以这种鱼为模型,制造了“机器鱼”,并将它们投放到食蚊鱼泛滥的水域。结果,这些“机器鱼”不仅吓跑了食蚊鱼,还忽悠来了斑马鱼!波尔菲利认为,将来人们可以通过具备类似功能的机器动物,将某些具有强大破坏力的入侵物种从深受其害的区域驱赶出去!

与蜂共舞

动物机器人既然能够“制霸”海和陆,空又怎能放过呢?

来自奥地利格拉茨大学的动物学家托马斯·斯米切尔开发了一组“蜜蜂机器人”。这些仍处于试验阶段的机器人,体态轻盈,可模仿蜜蜂的振动频率,并能产生热量和电磁场,而蜜蜂的行为恰恰受这些动态信息的影响。研究人员表示,通过“蜜蜂机器人”释放出的信息,合理引导,蜜蜂将会跟随它聚集在某个特定位置。斯米切尔说:“只要能够做到这一点,养蜂人将可以在蜂箱里安装上这种机器人,并用它来引导蜜蜂增加外出授粉的次数。”

小小动物机器人,却在上演一幕幕自然界的“无间道”,代替人类实施一个又一个伟大的“策反计划”,当然,这些计划都是有益的。将来,机器人真正与生物“结盟”的那一天,我们将可以更好地通过它们来防治害虫、管理牲畜、保护濒危物种、维护生态平衡……咱们的地球是否将因此而变得更加美好呢?让我们拭目以待吧!

 

盘点11个有趣的仿动物机器人

大自然是最优秀的设计师。工程师们从大自然学习经验,将其运用在工程上,这就是仿生学。仿动物的机器人能帮助研究者理解动物的运动和进化,以及为什么它们能完成如此惊人的任务。除此之外,仿生机器人还有极大的应用潜力,例如潜入危险地带或水下执行搜救任务等。我们选取了11个最有趣的仿生机器人,一起来看看吧!

1.螃蟹龙虾机器人

这个巨大的水下机器人叫做「螃蟹龙虾机器人」(Crabster),样子很像螃蟹和龙虾的结合体。它能够在湍急的水流中开展工作。2015年4月,它被用在挖掘海下古董。这个机器人由韩国海洋科学与技术研究院研发。

2.章鱼机器人

这个长得像章鱼的机器人叫做Pleurobot,能帮助研究者理解动物的进化和脊椎疗法。瑞士洛桑联邦理工学院的研究者在它的脊椎上设置了64个点,并跟踪它们的行动。这个机器人也能用于搜救任务。

3.袋鼠机器人

德国自动化设备供应商Festo每年都会制作一个仿生机器人。2014年,他们设计了一个袋鼠机器人,它能像真正的袋鼠一样蹦跳。它的设计初衷是为了帮助人们理解如何保存能量。

 

4.机器狗

谷歌旗下的Boston Dynamics为美国海军陆战队开发了这个机器狗Spot。它重达160磅(约73千克),用一个连在笔记本电脑上的游戏手柄来控制,操控半径可达500米。

5.青蛙机器人

哈佛大学、加州大学圣迭戈分校和威尔康乃尔医学院的研究者受到青蛙跳跃的启发,设计了这个机器人。除青蛙之外,它的身体还受到蛇和昆虫幼虫的启发。它身上黏糊糊和刚性的部位都是由3D打印出来的。

6.海龟机器人

Flipperbot是一个海龟机器人,设计初衷是为了研究海龟、海豹这种用蹼在地面上爬行的动物。乔治亚理工学院的科学家说,他们希望Flipperbot能帮助他们理解鳍和鳍状肢的进化。

7.蟑螂机器人

这个机器人是仿照蟑螂制作的,它可以用于搜救或环境监测任务。它圆形的外壳允许它像真正的蟑螂那样绕过障碍物。它是由加州大学伯克利分校的研究者设计的。

8.猎豹机器人

麻省理工学院的猎豹机器人是第一个能够自动奔跑和越过障碍物的四脚机器人。DARPA为这个机器人的研发提供了资金,目前是全世界最快的机器人,时速能超过29英里。

9.迅猛龙机器人

这个机器人模仿的是迅猛龙,同MIT的猎豹机器人差不多快,时速能达到28英里。这个机器人由韩国先进科技学院设计。

10.蜜蜂机器人

哈佛大学研究这种蜜蜂机器人已经很多年了,它有着十分惊人的潜力。RoboBee能帮助授粉、秘密军事侦察,也能用于搜救任务。它还能潜水和游泳。

11.大狗机器人

Boston Dynamics设计了大狗(Big Dog)机器人,这是一个四脚机器人,能够穿越泥地和雪地,以5英里/时的速度慢跑。它的体型与一只大狗或小驴差不多大,也是由DARPA提供资金。(如需转载,请注明来源自科技世界网)