水母機(jī)器人

1 簡(jiǎn)介

　　在美國科幻電影《黑客帝國》中，有數(shù)以千的長(zhǎng)著觸角的章魚形狀機(jī)器人，它們?cè)谠撈斜环Q為“衛(wèi)兵”，可在空中漂移，

　　對(duì)人們和宇宙飛船發(fā)起攻擊。盡管這是科幻電影中的虛構(gòu)情節(jié)，由基努·里維斯（Keanu Reeves）扮演的主人公“里奧”和戰(zhàn)友們共同抵御機(jī)器人的攻擊。但也許在未來這種可在空中漂移的“衛(wèi)兵”機(jī)器人將成為現(xiàn)實(shí)。

　　德國費(fèi)斯托公司最新研制的“水母”機(jī)器人就與《黑客帝國》中的機(jī)器人十分相似，它們長(zhǎng)著許多觸角，里面充滿著氦氣，看上去非常漂亮，能像水母漂在海水中一樣漂浮在空中。談及到這款機(jī)器人，費(fèi)斯托公司還研制出另一種機(jī)器人——“機(jī)器水母”，這是一種能夠在水中漂浮著的機(jī)器人。

2 設(shè)計(jì)特色

　　“水母”機(jī)器人是由德國費(fèi)斯托公司所研制生產(chǎn)。它長(zhǎng)有觸角，體內(nèi)充滿了氦氣，在空中飄浮時(shí)就好像水中浮動(dòng)的水母一樣。“空中水母”的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能方面的研究成果，將在海底勘探和航空航天等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景、

　　機(jī)器水母的球形身體是個(gè)用激光燒結(jié)制成的密封艙。它長(zhǎng)著8根觸須，這些仿生觸須的構(gòu)造取材于對(duì)魚鰭功能的剖析。每根觸須包含軟硬適度的“主心骨”，骨外面連著柔性的表面，表面分成兩個(gè)腔，壓力可以分別調(diào)整，使整個(gè)觸須向某個(gè)方向彎曲。每根觸須的頂端都有小鰭。受觸須帶動(dòng)，小鰭像魚尾那樣劃水，推動(dòng)水母機(jī)器人前進(jìn)。

　　要做到在水中自如游蕩并不容易，水中機(jī)器人配備了一系列的傳感器、功能頗強(qiáng)的通訊系統(tǒng)，還有基于機(jī)器人群體智能的控制軟件。壓力傳感器告訴水母當(dāng)前所處的深度，精確到幾毫米；光感應(yīng)器向它報(bào)告潛在障礙的大致位置，包括周圍其他機(jī)器人水母在哪里。

　　3相關(guān)新聞

　　據(jù)英國每日郵報(bào)報(bào)道，2013年3月份，美國海軍兵工廠最新研制一款自治化“機(jī)器人水母”，它的體積較大，并且與成年人體重相近。美國弗吉尼亞理工學(xué)院工程系研究人員最新研制這款機(jī)器人原型，它被命名為“Cyro”，之前該研究小組研制了另一款機(jī)器人水母，體積是人類手掌大小相近，接近于海灘上最常見的水母物種。

　　機(jī)械工程系博士生亞歷克斯-維拉努埃瓦說：“較大的裝置允許更多的有效負(fù)載、更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和更長(zhǎng)距離的操作性。生物學(xué)和工程學(xué)結(jié)果表明較大的裝置具有較低的運(yùn)輸成本，它可用于測(cè)量運(yùn)輸方面的能量消耗。”

　　這兩款機(jī)器人水母是多個(gè)大學(xué)聯(lián)合項(xiàng)目的一部分，投資500萬美元。水母是一種較有吸引力的候選模擬者，因?yàn)樗绕渌Ｑ笪锓N具有較低的代謝速率，消費(fèi)較少能量。此外，它們具有各式各樣的體積、外型和色彩，有助于實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)設(shè)計(jì)。

　　水母棲息在全球主要海域，有能力抵御淡水和鹽水環(huán)境不同等級(jí)的溫度變化。多數(shù)水母物種存在于較淺沿海區(qū)域，但一些存在于海平面7000米以下。

　　研究小組正在建造這個(gè)機(jī)器人水母模型，集成流體力學(xué)并研制控制系統(tǒng)。“Cyro”的名字源自Cyanea capillata水母，研究人員希望這款機(jī)器人水母未來有助于理解像這樣體積大小動(dòng)物的機(jī)械推進(jìn)力。體積較大和較小機(jī)器人存在著較大的差異性，Cyro由一塊可充電鎳氫電池提供動(dòng)力，“皮膚”是由厚硅樹脂材料制成，用手接觸有一種粘乎乎的感覺，它能夠保持水母物種的外型特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)，獨(dú)立地在水中游動(dòng)，同時(shí)可能收集、存儲(chǔ)、分析和傳達(dá)敏感數(shù)據(jù)。

　　美科學(xué)家打造機(jī)器水母可當(dāng)水下間諜

　　美國弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院研制的機(jī)器水母“Cyro”，長(zhǎng)5英尺(約合1.5米)，寬7英寸(約合18厘米)，重170磅(約合77公斤)，機(jī)械肢上覆蓋著白色硅樹脂。

　　北京時(shí)間2013年5月10日消息，據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)報(bào)道，美國弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院的一組研究人員研制出一款名為“Cyro”的機(jī)器水母，可以充當(dāng)軍方的水下間諜。它的能力讓超級(jí)間諜007也自愧不如。

　　Cyro是美國海軍水下作戰(zhàn)中心和海軍研究辦公室出資的一項(xiàng)計(jì)劃的研究成果。這項(xiàng)計(jì)劃共投入500萬美元，由美國各地的多所大學(xué)參與，旨在研制自供電的自治機(jī)器人，用于進(jìn)行水下監(jiān)視任務(wù)或者監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境。弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)械工程系博士生亞歷克斯-維拉努瓦表示：“我們正盡可能讓這款機(jī)器人接近于真正的水母，包括在外觀、移動(dòng)方式和感覺等方面。”

　　美國海軍過去就曾研制機(jī)器水母，但沒有一個(gè)能夠與Cyro相提并論。2012年，由機(jī)械工程學(xué)教授沙沙克-普利亞領(lǐng)導(dǎo)的弗吉尼亞理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)揭開了名為“RoboJelly”的Cyro早期原型的神秘面紗。不過，RoboJelly的尺寸很小，只有人手大小。維拉努瓦指出：“研制體積更大的機(jī)器水母的一個(gè)重要原因在于增加有效載荷，為安裝儀器設(shè)備提供空間，允許其執(zhí)行更為復(fù)雜的任務(wù)。另一個(gè)重要原因在于，機(jī)器人的體積越大，往往意味著效率更高。根據(jù)生物學(xué)家對(duì)動(dòng)物進(jìn)行的研究，體型越大的動(dòng)物從地點(diǎn)A前往地點(diǎn)B所耗費(fèi)的能量也越小。”

　　“Cyro”這個(gè)名字來自于學(xué)名“Cyanea capillata”的霞水母。這款機(jī)器水母有8條手臂，表面覆蓋白色的柔軟硅樹脂。在設(shè)計(jì)上，Cyro能夠模擬真實(shí)水母的移動(dòng)方式，在水中自行推進(jìn)。Cyro的中部有一個(gè)控制盒，充當(dāng)它的大腦。研究人員尚未在Cyro身上安裝攝影機(jī)，但以后會(huì)進(jìn)行安裝，同時(shí)還會(huì)安裝其他監(jiān)視設(shè)備。維拉努瓦說：“Cyro裝有一個(gè)基本控制系統(tǒng)。我們事先對(duì)Cyro進(jìn)行編程，制定所需完成的任務(wù)。進(jìn)入水中后，Cyro便會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的程序執(zhí)行任務(wù)。”

　　Cyro采用可充電的鎳氫電池，其中一個(gè)缺陷就是游動(dòng)時(shí)間較短，只能連續(xù)游動(dòng)4個(gè)小時(shí)。維拉努瓦表示：“這種缺陷從某種程度上說是電池導(dǎo)致的。這項(xiàng)計(jì)劃的目標(biāo)是研制出一款能夠長(zhǎng)時(shí)間在水下活動(dòng)的機(jī)器水母，同時(shí)盡可能將維護(hù)需求降至最低。未來的Cyro將擁有更長(zhǎng)的續(xù)航能力，一次可在海中逗留數(shù)周，甚至數(shù)月。”

　　研究小組正在尋找其他能量源，為Cyro提供電力。維拉努瓦說：“真正的水母也無法在不進(jìn)食情況下游動(dòng)。機(jī)器水母也是如此。它們必須補(bǔ)充燃料。我們正在尋找新的能量獲取方式，利用能夠在海洋中利用的任何能源，例如太陽能和波浪能。此外，我們還在研發(fā)更為新奇的方式，例如利用微生物燃料電池消化海水中的營養(yǎng)物。”

　　這款原型距離部署到海洋還有幾年時(shí)間。機(jī)器水母擁有很多潛在應(yīng)用。這種機(jī)器人可以用于研究魚類，監(jiān)測(cè)洋流或者清理漏油。在軍事監(jiān)視行動(dòng)中，機(jī)器水母也能夠發(fā)揮重要作用。維拉努瓦說：“水母的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)就是欺騙性，它們是一種你不會(huì)感到威脅的動(dòng)物。如果我看到一個(gè)機(jī)器鯊魚和一個(gè)機(jī)器水母，我一定更提防機(jī)器鯊魚，而不是機(jī)器水母。”

4 氫動(dòng)力

　　概述

　　美國弗吉尼亞理工大學(xué)工程師約納斯-塔德塞等人在美國海軍研究所的贊助和支持下，發(fā)明了一種氫氣動(dòng)力水母機(jī)器人--“機(jī)械水母”，這種神奇的機(jī)器人在水中可以像真正的水母一樣游動(dòng)。

　　塔德塞等人的研究成果發(fā)表于《智能材料與結(jié)構(gòu)》雜志之上。塔德塞介紹說，水母游動(dòng)的動(dòng)作簡(jiǎn)單有效，因此這可以作為水下機(jī)器人的理想模型。此外，機(jī)械水母以氫作為燃料，從理論上講，它的能量將取之不盡用之不竭。塔德塞表示，“據(jù)我們所知，這是第一個(gè)采用外部氫氣作為燃料來源的水下機(jī)器人。”

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　水母是利用其傘狀體內(nèi)部的環(huán)肌進(jìn)行移動(dòng)的。當(dāng)它們收縮時(shí)，傘膜將水母的身體關(guān)閉于其中，并排出水流，從而推動(dòng)身體向前移動(dòng)。當(dāng)肌肉放松時(shí)，傘膜又會(huì)恢復(fù)原來的形狀。為了模擬水母的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，機(jī)器人必須要使用有形狀記憶能力的合金，也就是說所使用的材料能夠記住原始形狀。然后，再將這些材料包裝于碳納米管中，并涂上一層鉑黑粉。

　　機(jī)械水母的動(dòng)力來自于水中的氧和氫以及表面的鉑之間的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量?；瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳遞到機(jī)械水母的人造“肌肉”上，使其達(dá)到伸縮變形的目的。這就意味著機(jī)械水母可以從其周圍的水中獲得再生燃料，而不是僅僅依靠有限的電池能量。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，機(jī)械水母的能量應(yīng)該取之不盡用之不竭。

未來發(fā)展

　　至今機(jī)械水母仍處于研發(fā)早期階段，但研究人員表示這種機(jī)器人最終將可應(yīng)用于水下營救作業(yè)。這個(gè)機(jī)械水母可以同時(shí)伸縮8節(jié)身體。研究人員正在考慮如何改進(jìn)，以更方便的方式單獨(dú)控制每一節(jié)身體。如果能夠找到解決方案，那么改進(jìn)版的機(jī)械水母活動(dòng)將更加靈活。

　　這項(xiàng)研究由美國海軍研究所提供贊助和支持。他們希望這項(xiàng)發(fā)明將能夠應(yīng)用于美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)中。