微型机器人时代

　　未来的微型机器人不仅可以上天下地入海，还可以帮助人们治疗疾病，建造楼房，治理虫害，完成一些对人而言较危险的作业……所以，欢迎来到微型机器人时代！ 　　生物学和工程学的完美融合 　　昆虫从古生代起就出现在了地球上，距今已经3.5亿年，比哺乳动物的出现还要早近2亿年。亿万年的漫长进化过程赋予了昆虫许多神奇的特质，比如可以举起重于自身千倍的物体，具有超强的团队协作能力，彼此之间分工明确，在寻找到食物后可以通过气味或信号快速通知同伴食物的具体位置，这些特质让我们人类都感到叹为观止。 　　发表在《生物力学》期刊上的一项最新研究显示，蚂蚁的颈部关节可以承受超出自身重量5000倍的压力，参与这项研究的美国俄亥俄州立大学的机械航天学教授卡洛斯・卡斯特罗表示：“看到有人拍摄了一张蚂蚁背着死去小鸟的尸体的照片后，我们就开始研究蚂蚁的负重能力，原本预测蚂蚁最多能够承受自身重量1000倍的压力，但结果竟然是5000多倍，超出了我们所有人的意料。”卡斯特罗和同事将蚂蚁麻醉后，将它们的头部黏在一个光盘大小的离心机上，当离心机施加的力达到蚂蚁自身体重的5000倍时，蚂蚁的颈部才断裂。随后，研究人员又利用微电脑断层摄影术重建了蚂蚁颈部关节的3D模型，发现蚂蚁颈部表面拥有碰撞和折叠的微观结构，这种身体构造能够帮助蚂蚁肩负更大的载重量。不只是蚂蚁，其他很多昆虫也具备这种结构坚硬度和平衡力，而且它们自身体积都很小，所以只需要很少的食物就足够维持较长时间的活动能力。 　　正是这些昆虫给了科学家们设计和改进微型机器人的灵感，由美国斯坦福大学的戴维・克里斯坦森和埃利奥特・霍克斯领导的实验小组，就以蚂蚁为灵感设计出了微型机器人MicroTugs，它自身的重量仅有12克，却可以拉动重于自身2000多倍的物体，相当于一个人可以拖动一只蓝鲸。他们在设计这款微型机器人的时候，效仿了蚂蚁和壁虎的身体结构特征，为机器人底部覆盖了数以千计的橡胶“鞋钉”，再通过芯片下达指令控制这些“鞋钉”弯曲并粘附在接触的任何物体表面，形成超强的摩擦力，在不需要负重的时候，“鞋钉”就会伸直，这样机器人就可以轻松地行走了。 　　机器人正在不断变小 　　就像我们以前经常在电视或纪录片里看到的大型机器人一样，微型机器人也是机器人家族中的一部分，只不过它们的大小都是以毫米或厘米为单位，就像一只虫子那么大，但这并不影响它们发挥自己强大的功能。而且，随着科学技术的发展，机器人的体积还可以变得更小，香港大学化学系就研制出了全球首个“光控纳米机器人”，它的大小仅为几微米（相当于一根头发丝的五十分之一），能够通过光感应来进行上下左右的移动。据研究团队介绍，他们的研究灵感来源于光现象，比如飞蛾扑火和水里游动的绿藻，于是用硅和二氧化钛这两种感光性较强并带有电荷的半导体材料制成了这款机器人，当纳米机器人感应到光后，会产生相应的化学反应和电场，从而可以灵活地移动。虽然这种纳米机器人还没有投入到实际运用中去，但研究人员表示，这种机器人未来将为治疗疾病提供更有效的方案，比如可以将纳米机器人注入人体血管，以非介入治疗的方式锁定病变细胞并向其投递药物，这种疗法不但不会损伤到人体正常的组织和器官，还可以大大减少病人在传统治疗中受到的痛苦，并且没有任何的副作用。 　　就在前不久，2016年的诺贝尔化学奖颁给了弗雷泽・斯图达特、伯纳德・费林加和让・皮埃尔・索维奇三名科学家，以表彰他们在纳米机器的设计和合成方面做出的开创性贡献。其中，来自荷兰的科学家费林加设计出了纳米汽车，这个小车的轮子是两组对称性不同的分子马达，在注入电子的情况下可以向同一方向转动，费林加还在马达中加入了有机小分子催化剂，通过光照分子开关，可以控制催化作用的位置，还可以调节汽车马达的转速。据费林加表示，这种技术未来还有望被投入于医疗和机械制造领域。 　　�@些微型甚至是超微型机器人不同于以往的大型机器人，它们凭借着极小的体积和极轻的重量可以在水面上行走，或吸附在墙壁上，完成一些传统机器人无法做到的事情。美国麻省理工大学联手英国谢菲尔德大学和日本东京工业大学，共同研发出了一种可食用的胶囊微型机器人，将这个胶囊机器人吞下去，它就可以在人的胃里折叠和伸展，帮助取出胃中误吞食进去的异物，因为据统计，全世界每年至少有3500名儿童会因误吞电池或其他异物而需要接受手术，有了这款胶囊微型机器人，患者在不经历痛苦的情况下就可以顺利康复，这也是传统大型机器人无法做到的。 　　微型机器人的过去与未来 　　微型机器人的构想不是凭空而来的，早在1959年，当时的著名物理学家理查德・费曼就大胆预测了纳米机器人的出现，他还说道：“也许未来人们只要吞下一个外科医生，他就能够抵达心脏，并且查看哪里出了问题，然后拿出小刀，把那些不好的地方切除，这个想法虽然听起来很疯狂，但早晚会实现的。” 　　在科幻作品中也出现过类似的想法，1966年有一部很出名的科幻电影叫作《奇幻旅程》，影片描述冷战时期的美国和苏联都发明了一种先进的技术，该技术可以使人和物体都缩小到原子大小，其中有一个情节是被缩小的女主角和她的科学家小分队，乘坐着纳米潜艇，进入了因脑血管栓赛而垂死的科学家大脑内，通过消融了他血管内栓塞的血块，最后成功地救了他一命。 　　这部影片中描绘的很多高科技手段，在几十年后的今天看来都遥不可及，但其中有一部分技术即将实现。在韩国和瑞士，科学家在实验室中研制出了可以在动脉血管中游走的微型医用机器人，体积还不到一毫米，这种机器人在一周时间内能在血管中移动55码的距离，遇到血管栓塞部分，就能够释放药物，溶解血液凝块，目前已在活猪身上试验成功，预计将在2020年被运用于心血管疾病的临床治疗。 　　不论是从军事方面还是商业方面，微型机器人未来都大有可为，因为这种机器人体积小，所消耗的能源也少，且制造成本低廉，可以运用3D打印技术进行大批量的生产。而且，微型机器人也和昆虫一样，可以进行团队合作完成一些比较复杂的高难度任务。微型机器人MicroTugs的设计者，美国斯坦福大学的戴维・克里斯坦森表示，几组MicroTugs彼此之间可以做好分工和配合，完成像是在工厂或建筑工地上运输原料的任务，或是去一些艰险的地方移动目标对象，比如去倒塌的矿山下或震毁的房屋内营救幸存者等等，二十几个MicroTugs在一起就能抬起一辆正常的小轿车，而且这种微型机器人的制造成本仅为20美元。这些微型机器人还可以进行自我修复，如果其中一个微型机器人发生了故障，其他的机器人可以为其检测故障并修理恢复，如果故障发生在执行任务的过程中，会有其他机器人迅速补上故障机器人的位置，继续完成下达的任务。 　　当前的局限性 　　既然微型机器人有如此多的优点，那为什么还没有大规模地投入使用？那是因为还有一些问题亟待解决，其中最棘手的就是微型机器人的电池续航能力，因为受限于体积，微型机器人中的电池也比较小，无法负荷长时间的工作。不过，一家名为SRI的微型机器人开发公司想出了一个简单的办法，他们将机器人放在电路板上移动，让它们可以边充电边执行任务，这样就可以完成一些快速成型、光电混合电路制造等方面的工作。但是，这也不是一个根本的解决办法，在微型机器人电池开发领域，还需要大量的资金支持，未来才有可能解决这个问题。 　　还有就是微型机器人彼此间的沟通问题，近几年来，世界各国都在研究微型机器人蜂群系统的开发，所谓微型机器人蜂群系统，就是将大量的微型机器人编组、集中使用，正如蜂群的威力要远大于几只蜜蜂，这种系统具有很明显的优势，但是如何让这些微型机器人进行良好的沟通，从而可以完美配合完成任务，这是各国都在积极解决的问题。就像近年出现的无人驾驶汽车一样，如果未来要大面积投入使用，那些上了路的车与车之间的系统交流和沟通就是个大问题，因为这关系到了行车安全和效率。 　　不过，相信随着科技的发展，未来的微型机器人会变得更智能、更高效，能完成一些更复杂的任务，也会为我们的生活带来更多的便利。 　　7种神奇的微型机器人 　　1.蜜蜂仿生机器人 　　美国哈佛大学魏斯仿生工程研究所模仿蜜蜂制造了一款会飞的机器昆虫（Robo Bee），还不到一枚硬币那么大，体重不到0.1克，甚至比一只真的蜜蜂还要轻，它的背部有一对翅膀，可以通过电脑控制在空中飞行，也能够通过静电附着到任何表面上。 　　不过，目前Robo Bee还不能独自飞行，由于目前还没有找到合适的板载电源，它需要一根电线连接来提供电量。RoboBee的研发时间长达十多年，研发团队在新闻发布会上表示：“RoboBee是我们过去12年工作的心血成果，我们在实验室里不断尝试不同的材料和设计并最终取得突破，才设计出了这样一款微型机器人，但要让它具备与真正的蜜蜂相同的功能，至少还需要再努力20年。” 　　2.水黾虫仿生机器人 　　韩国首尔大学和美国哈佛大学魏斯仿生工程研究所，根据观察研究水黾虫的身体结构，设计出了一款水黾虫仿生机器人（Water Strider），它的重量仅有68毫克，身长不到2公分，它的腿则模仿真正的水黾虫，腿部末端的“脚趾”处呈弯曲状，并涂上了一层防水的超疏水纳米材质，它可以漂浮在水面上，也会飞，每秒的飞行距离可达1.6米。 　　它的出现对于无人机用户来说是一种福音，因为昂贵的无人机一旦坠入水中就会彻底损毁，将它附于无人机之上，就可以让无人机无论发生什么事故，都可以在水面上优雅地着落。不过这款水黾虫仿生�C器人目前还不成熟，它无法在水面连续跳跃，落地时也无法保持平衡，但其相对简单的构造，让它有机会以低廉的价格大量生产。 　　3.毫米级微型机器人 　　德国卡尔斯鲁厄理工学院的一个研究小组，正在研制一种只有蚂蚁大小的毫米级微型机器人（I-Swarm），它的背上安装有太阳能电池系统为其提供能源，还有一个通信单元和一个GPS单元，它的身上还装了一个传感器，用于探测周边物体或协同作业的其他机器人，以免相撞。 　　I-Swarm无需额外控制器，并且具有超强的自治能力、环境自我调节能力、集群能力和协同能力，研究人员希望I-Swarm成为一个真正“自治”的毫米级微型机器人，以代替人处理危险事件或去到人类到不了的地方，他们希望I-Swarm未来可以用来探索火星，去太空中寻找适宜人类居住的地方。目前I-Swarm项目已经得到了来自瑞典、英国、匈牙利、希腊、西班牙、意大利、瑞士等大学研究机构的支持和帮助。 　　4.集群机器人 　　美国哈佛大学生物工程研究所的研究人员们发明出了一种名叫Kilobot的微型机器人，大小和一枚硬币差不多，仅有3.3厘米宽，3.4厘米高，每个机器人都装有一个小型微处理器，一个红外传感器和一个通过震动来完成移动的马达。 　　这种微型机器人的灵感来源于蚂蚁、蜜蜂一类的生物群系统，这些生物在没有统一领导的情况下，也能合作执行大量复杂的任务。在演示的过程中，这些Kilobot就像小蚂蚁一样，能够在简单命令下自动排列出五角星、字母以及各种图案，研究人员称：“他们可以自行变换形状来适应当前的任务，它们甚至可以构建出其他机器人。在将来，Kilobot可以在帮助清理泄漏石油、深海冒险以及行星探索领域发挥出巨大的作用。 　　5.毛毛虫仿生机器人 　　波兰华沙大学的物理学家们以毛毛虫为灵感创造出了Cater Pillar微型机器人，它乍看上去就是一条薄薄的透明胶带，长度仅有15毫米，其实它是由光敏感高弹性塑料制成的，这同时也是它能蠕动的秘诀，这个微型机器人暴露在光下就能进行伸缩，从而推动身体前进。通过控制光照条件的变化，研究人员能让机器人执行不同的操作，它可以爬上斜坡，穿越细小的狭缝，还能携带10倍于自身重量的物体行动。 　　华沙大学光子纳米结构所所长称：“制造这种柔软的机器人难度比一般机器人更高，因为柔软的机器人需要研究者在力学、供能和控制方面设计一个全新的框架，我们才刚刚开始从自然演化进程中取之所长。” 　　6.蟑螂仿生机器人 　　俄罗斯波罗的海联邦大学的科学家们历经7个月，花费150万卢布（约15万元人民币）研制出了一款名叫Roach的“蟑螂特务”，这款机器人完全模仿了蟑螂的外形、习性和内部构造，根据蟑螂运动的动力学原理，使用回形针、弹簧、锂电池等数百个微型零件完成了这款机器人的初始模型研制工作。它体长8厘米，可以30厘米/秒的速度爬行20分钟。 　　科学家表示，通过一部普通的智能手机就可轻松控制这款机器人的移动，可以安装微型摄像机或监听器，从而帮助军方完成监视和侦查任务，由于体型小，它还可以协助完成拍摄、搜救和地下勘探工作等等。 　　7.微型大力士机器人 　　来自美国斯坦福大学的戴维・克里斯坦森和埃利奥特・霍克斯团队研发出了一款名为MicroTug的微型机器人，它的重量仅有12克，却可以拖动超过其重量2000倍的物体，相当于一个人能拖动一头蓝鲸。 　　戴维・克里斯坦森表示：“我们在设计MicroTug时参考了壁虎的脚部特征，它在移动物体前，会使用附有黏着性的轮状前脚先稳固地附着在物体表面上，增加摩擦力，再缓缓地移动轮子以拖拉物体，并持续反复运作。”这种微型机器人可以用来组织成一支小型军队，就像蚂蚁的工作团队一样，协同进行各项搬运工作，集合一群MicroTug后可搬运的物品重量是惊人的。埃利奥特・霍克斯表示，未来如果配备上二氧化碳感应器，MicroTug甚至可以进入火灾现场寻找生存者，帮助移动呛伤昏迷的民众，或是搬运绳梯给高楼层的居民。 　　[译自西班牙《真有趣》]