聖母大學的研究人員成功地3D列印了四足群機器人，能够穿越複雜的地形並克服前進道路上的障礙。該大學的機器人工程師兼電氣工程助理教授Yasemin Ozkan-Aydin試圖在機器人中模仿螞蟻、蜜蜂和鳥類的集體行為來解决問題。該研究探索了如何在單個機器人之間建立物理連接，以提高陸上有腿集體系統的機動性和能力。例如，如果一個機器人遇到了他們無法克服的障礙，其他機器人就會齊心協力解决問題。“有腿的機器人可以在崎嶇的地形和狹小的空間等具有挑戰性的環境中航行，並且四肢的使用提供了有效的身體支撐，實現了快速的機動性並促進了障礙物的穿越，然而，有腿機器人在陸地環境中面臨著獨特的移動挑戰，這會導致運動效能下降。”
3D列印的四足群機器人。圖片來自聖母大學。
受自然啟發的群體機器人
研究人員越來越多地從自然界及其居民的行為中汲取靈感，為各種應用開發空中和水下機器人。然而，開發具有穿越複雜地形和克服障礙能力的機器人具有挑戰性。特別是，一些研究人員試圖繪製和模仿動物王國中那些以自組織集體形式聚集在一起的動物的行為，例如蟻群、鳥群和魚群。儘管試圖複製這種自然的集體智慧，但他們的群體機器人通常是遠程控制或GPS引導的，而不是自組織的。
早在2014年，作為CoCoRo（集體認知機器人）項目的一部分，3D列印就被用於為海洋環境創建群機器人。該項目吸引了五所歐洲大學的參與，最終形成了40個3D列印的微型潜艇機器人，它們可以協同工作來執行複雜的任務。
最近，哈佛大學的一個研究小組在該領域又向前邁進了一步，成功地3D列印了一群柔軟的機器魚，它們能够在沒有Wi-Fi或GPS幫助的情况下以複雜的模式游泳。機器人的自給自足可以看到它們被部署用於海洋環境中的生態監測應用，否則人類無法進入。
現時，成群的地面機器人僅限於相對簡單的環境，Ozkan-Aydin說，部分原因是缺乏應對複雜地形的運動能力。囙此，在2020年初，她開始進行研究和實驗，以複製動物群落的自組織行為，以提高群機器人的能力。
哈佛科學家的受魚啟發的機器人配備了監視器和藍色LED，可幫助它們在水下導航。照片來自自組織系統研究小組。
3D列印群機器人
Ozkan-Aydin的研究基於這樣一個前提，即單個機器人之間的物理連接可以增强整個系統的移動性和能力。從本質上講，如果某個特定任務超出了單個機器人的能力，例如搬運物體，則機器人會相互物理連接，形成一個更大的多腿系統來共同承受重量。Ozkan-Aydin解釋說：“當螞蟻收集或運輸物體時，如果遇到障礙，該小組會共同努力克服該障礙。例如，如果路徑中有間隙，它們將形成一座橋樑，以便其他螞蟻可以穿越——這就是這項研究的靈感來源。通過機器人科技，我們能够更好地瞭解這些生物系統的動態和集體行為，並探索我們未來如何能够使用這種技術。”
為了創建她的群體，Ozkan-Aydin使用3D打印機生產了長度在15到20釐米之間的低成本四足機器人。每個機器人都配備了鋰聚合物電池、微控制器和三個感測器。除了正面的光感測器外，每個機器人的正面和背面都有兩個磁性觸摸感測器，使它們能够附著在群體中的其他人身上。每個機器人都是3D列印的，有四個靈活的腿，根據Ozkan-Aydin的說法，這為機器人提供了一定程度的“機械智慧”，並减少了對額外感測器的需求。你不需要額外的感測器來檢測障礙物，因為腿部的靈活性有助於機器人直接從它們身邊移動，”她說。“他們可以測試路徑上的縫隙，用身體搭建一座橋樑；單獨移動物體；或連接以在不同類型的環境中共同移動對象。”
測試集羣機器人
在對每個機器人進行3D列印後，Ozkan-Aydin測試了機器人在草地、覆蓋物和粗毛地毯等地形上以及克服樹葉和橡子等障礙物的能力。她在刨花板上的平坦地面上測試機器人，並使用絕緣泡沫和木塊建造樓梯作為崎嶇的地形。當單個機器人卡在障礙物上時，會向群中的其他機器人發送訊號。然後，它們通過磁性觸摸感測器連接在一起，以提供支援並成功克服障礙或地形。雖然Ozkan-Aydin承認她的機器人群設計仍有待改進，但她相信這項研究將有助於為能够適應不可預見場景的低成本腿群的設計提供資訊。她預計她的研究將有助於開發能够執行現實世界任務的群體機器人，例如搜救行動、運輸物體、環境監測，甚至太空探索。
點評：展望未來，Ozkay-Aydin將通過進一步探索螞蟻和白蟻等昆蟲的集體動力學，將她的研究重點放在提高群機器人系統的控制、傳感和動力能力上。除了改進機器人內部的電池科技，未來的工作將著眼於綜合更多的感測器和更强大的電機，同時保持它們的小尺寸。“對於功能性集群系統，電池科技需要改進，我們需要能够提供更多電力的小型電池，理想情况下可以持續10小時以上。