圣母大学的研究人员成功地 3D 打印了四足群机器人，能够穿越复杂的地形并克服前进道路上的障碍。该大学的机器人工程师兼电气工程助理教授 Yasemin Ozkan-Aydin 试图在机器人中模仿蚂蚁、蜜蜂和鸟类的集体行为来解决问题。该研究探索了如何在单个机器人之间建立物理连接，以提高陆上有腿集体系统的机动性和能力。例如，如果一个机器人遇到了他们无法克服的障碍，其他机器人就会齐心协力解决问题。“有腿的机器人可以在崎岖的地形和狭小的空间等具有挑战性的环境中航行，并且四肢的使用提供了有效的身体支撑，实现了快速的机动性并促进了障碍物的穿越，然而，有腿机器人在陆地环境中面临着独特的移动挑战，这会导致运动性能下降。”

3D 打印的四足群机器人。图片来自圣母大学。

受自然启发的群体机器人

研究人员越来越多地从自然界及其居民的行为中汲取灵感，为各种应用开发空中和水下机器人。然而，开发具有穿越复杂地形和克服障碍能力的机器人具有挑战性。特别是，一些研究人员试图绘制和模仿动物王国中那些以自组织集体形式聚集在一起的动物的行为，例如蚁群、鸟群和鱼群。尽管试图复制这种自然的集体智慧，但他们的群体机器人通常是远程控制或 GPS 引导的，而不是自组织的。

早在 2014 年，作为 CoCoRo（集体认知机器人）项目的一部分，3D 打印就被用于为海洋环境创建群机器人。该项目吸引了五所欧洲大学的参与，最终形成了 40 个 3D 打印的微型潜艇机器人，它们可以协同工作来执行复杂的任务。

最近，哈佛大学的一个研究小组在该领域又向前迈进了一步，成功地 3D 打印了一群柔软的机器鱼，它们能够在没有 Wi-Fi 或 GPS 帮助的情况下以复杂的模式游泳。机器人的自给自足可以看到它们被部署用于海洋环境中的生态监测应用，否则人类无法进入。

目前，成群的地面机器人仅限于相对简单的环境，Ozkan-Aydin 说，部分原因是缺乏应对复杂地形的运动能力。因此，在 2020 年初，她开始进行研究和实验，以复制动物群落的自组织行为，以提高群机器人的能力。

哈佛科学家的受鱼启发的机器人配备了摄像头和蓝色 LED，可帮助它们在水下导航。照片来自自组织系统研究小组。

3D打印群机器人

Ozkan-Aydin 的研究基于这样一个前提，即单个机器人之间的物理连接可以增强整个系统的移动性和能力。从本质上讲，如果某个特定任务超出了单个机器人的能力，例如搬运物体，则机器人会相互物理连接，形成一个更大的多腿系统来共同承受重量。Ozkan-Aydin 解释说：“当蚂蚁收集或运输物体时，如果遇到障碍，该小组会共同努力克服该障碍。例如，如果路径中有间隙，它们将形成一座桥梁，以便其他蚂蚁可以穿越——这就是这项研究的灵感来源。通过机器人技术，我们能够更好地了解这些生物系统的动态和集体行为，并探索我们未来如何能够使用这种技术。”

为了创建她的群体，Ozkan-Aydin 使用 3D 打印机生产了长度在 15 到 20 厘米之间的低成本四足机器人。每个机器人都配备了锂聚合物电池、微控制器和三个传感器。除了正面的光传感器外，每个机器人的正面和背面都有两个磁性触摸传感器，使它们能够附着在群体中的其他人身上。每个机器人都是 3D 打印的，有四个灵活的腿，根据 Ozkan-Aydin 的说法，这为机器人提供了一定程度的“机械智能”，并减少了对额外传感器的需求。你不需要额外的传感器来检测障碍物，因为腿部的灵活性有助于机器人直接从它们身边移动，”她说。 “他们可以测试路径上的缝隙，用身体搭建一座桥梁；单独移动物体；或连接以在不同类型的环境中共同移动对象。”

测试集群机器人

在对每个机器人进行 3D 打印后，Ozkan-Aydin 测试了机器人在草地、覆盖物和粗毛地毯等地形上以及克服树叶和橡子等障碍物的能力。她在刨花板上的平坦地面上测试机器人，并使用绝缘泡沫和木块建造楼梯作为崎岖的地形。当单个机器人卡在障碍物上时，会向群中的其他机器人发送信号。然后，它们通过磁性触摸传感器连接在一起，以提供支持并成功克服障碍或地形。虽然 Ozkan-Aydin 承认她的机器人群设计仍有待改进，但她相信这项研究将有助于为能够适应不可预见场景的低成本腿群的设计提供信息。她预计她的研究将有助于开发能够执行现实世界任务的群体机器人，例如搜救行动、运输物体、环境监测，甚至太空探索。

点评：展望未来，Ozkay-Aydin 将通过进一步探索蚂蚁和白蚁等昆虫的集体动力学，将她的研究重点放在提高群机器人系统的控制、传感和动力能力上。除了改进机器人内部的电池技术，未来的工作将着眼于整合更多的传感器和更强大的电机，同时保持它们的小尺寸。“对于功能性集群系统，电池技术需要改进，我们需要能够提供更多电力的小型电池，理想情况下可以持续 10 小时以上。