仿真蚂蚁·玻璃纤维鱼·机器蛇 [复制链接]

仿真蚂蚁·玻璃纤维鱼·机器蛇 机器动物为人类营造未来乐园
    【英国《焦点》月刊文章】题：机器动物园（作者　保罗·帕森斯博士）
    对“蚂蚁场”的第一印象平淡无奇——一张4米长、3米宽的胶合板桌面，四角由铝质长杆支撑着，桌面铺了一层锡箔。但是靠近观察，就会发现在这个“蚂蚁场”上面爬来爬去的是一群小小的动物——“蚂蚁”。它们一起寻找食物，相互交往，行为与蚂蚁无异。一切都没什么异乎寻常之处，但这些蚂蚁是用金属和塑料做成的，它们不是用腿爬行，而是由电动轮子驱动。这个“蚂蚁场”是麻省理工学院移动机器人实验室的一部分。这些机器“蚂蚁”的体积与乒乓球差不多，每个重35克。
    每个机器蚂蚁装有一个微处理器，其程序是模仿蚂蚁群体中的真蚂蚁的行为编制的。这些机器蚂蚁被分派了任务——诸如寻找食物（由黄铜标记作为食物）或者玩捉迷藏等游戏，它们随后会利用为它们编制的行为程序完成这些任务。真蚂蚁通过复杂的社会交互作用和协作实现目标。机器蚂蚁则利用红外光束共享行动计划和信息，模仿真蚂蚁的能力。自然模仿
    机器蚂蚁的制造者詹姆斯·麦克勒金博士说：“这项计划有两个主要目标。第一个目标是通过把许多传感器和传动装置装进一个小小的空间内，突破微型机器人的局限。第二个目标是利用许多单个机器人的相互作用，形成一个有组织的机器人群体。”麦克勒金希望，用他制造的机器蚂蚁组成的机器动物协作小组，有朝一日能够执行对于人类来说很危险的任务：清除战场上未爆炸的弹药就是一个例子。这种危险的工作通常需要数人合作才能完成。
    麻省理工学院的机器蚂蚁，是称之为仿生学的新兴的机器人技术领域一个组成部分。这种技术从自然界获得灵感，改进机器性能。事实上，技术人员目前正在研制模仿蟑螂、企鹅等多种动物行为的仿生机器动物。如果有人认为动物王国没有太多的东西可供人造技术借鉴，这种想法可以原谅。毕竟，假如有人想设计一架作战飞机，如果人们已经制造出比鹰好得多的飞机（比如F—16战斗机），再去模仿鹰又有什么必要呢？难道动物就没有我们的技术现在可以超越的局限性吗？
    仿生学家说，未必如此。他们强调说，他们并不是不加区别地模仿动物，而是设法找出动物能够发挥巨大作用的某些特定的身体结构，然后再把这些结构融合到现有技术中来。举一个异想天开的例子：可以通过使F—16战斗机具备像鹰一样几乎可能垂直起降的能力，进一步改进它的性能。
    麻省理工学院的罗德尼·布鲁克斯教授解释说：“我们研究动物是为了获得更好的设计灵感。从纯粹的工艺学角度来说，我们可以提出许多更精明的构思。但是，动物身上也有一些确实很好的结构。”
    可以证明这种研究尤为有用的领域是海洋动物的构造。鱼类（虽然在以直线行进时比螺旋桨传动的船只要慢）在行进过程中的急转弯以及在从静止到加速前进时的速度是无与伦比的。1·5亿年的进化使得鱼类对水下环境适应能力很强，它们能够以高达10G（1G＝9·8米／秒2）的加速度加速（比航天飞机快两倍多），并能在不到自身长度一半的距离全速转弯。但是，它们所利用的能量比任何人造船舶所能使用的能量都有效得多。第一个玻璃纤维鱼
    研究人员意识到这个事实以后，便开始研究建造能像鱼那样游动的机器鱼的可能性。目前已有3条能够自由游动的机器鱼，其中的两条是由麻省理工学院海洋工程系研制的：一条是4英尺长的机器梭子鱼，另一条是5英尺长的机器北美狗鱼。第三条是类似金枪鱼的8英尺长的机器鱼，由马萨诸塞州剑桥从事商业研究与开发的CS德雷珀实验室研制。
    麻省理工学院的机器梭子鱼，是世界上第一个能够自由游动的机器鱼。它大部分是由玻璃纤维制成的，上覆一层钢丝网，最外面是一层合成弹力纤维。尾部由弹簧状的锥形玻璃纤维线圈制成，从而使这条机器梭子鱼既坚固又灵活。一台伺服电动机为这条机器鱼提供动力，这台伺服电动机利用由钨质电缆穿起来的滑轮连动设备在两侧拍打机器鱼的尾部。通过头锥安装的信号接收器对机器梭子鱼进行无线电控制。接收器把控制信号传送给另外两台伺服电动机，通过调节机器鱼的胸鳍来操纵它。
    鱼类仿生学家可能会为水下自动航行器设计出一种更好的动力装置。这种小型的无人驾驶航行器可用于海洋观测和军事监视。目前设计的自动水下航行器使用的是功耗大的旋转推进器，这意味着航行器70%的空间用于装载笨重的电池——限制了有效载荷的空间，进一步降低了航行器的加速度和灵活性。仿照鱼类的动力构造，可以大大改进航行器的性能。
    机器鱼也为研究人员解开海洋生物之谜提供了一个新的角度。鱼类似乎没有足够的肌肉力量供它们快速游动。这个谜称之为格雷悖论。但是现在的研究已经发现，即使是机器梭子鱼稍显笨拙地像鱼那样游动也能够游得更快。这表明格雷悖论的一个解答方案可能会获得证实———鱼类以左右两侧拍动尾部的基本游动方式减少了自身的流体阻力，从而获得更快的速度。
    动物如何行动以及它们为何具有独特的行为，是科学家们开展仿生学研究的另一个巨大动力。斯特林大学心理学家巴巴拉·韦伯女士解释说：“要想充分利用动物的构造特点，我们必须知道它们是如何运作的。”
    韦伯和她的同事们一直在研制一种机器动物，这种机器动物可以模仿雌蟋蟀通过雄蟋蟀发出的歌声找到雄蟋蟀。韦伯研制的机器蟋蟀有几对电子耳和模仿蟋蟀听觉系统的处理电路。这些机器蟋蟀可以分辨出不同种类蟋蟀的独特叫声，并能从中分辨出正确的叫声。然后通过综合电子耳接收到的信号，自己朝着声源的方向前进。这些机器蟋蟀现在看起来一点也不像蟋蟀，但是电子技术最终将被移植到6条腿的移动蟋蟀身上，俄亥俄州克利夫兰凯斯—西保留地大学的研究人员正在研制这种机器蟋蟀。酷似真动物的机器动物
    韦伯的研究工作已经提出了蟋蟀行为的新理论。她说：“蟋蟀处理声音的方式中一些本来以为是真实的事情也许根本就不是真实的，这可能会导致对蟋蟀的这种行为作出较为简单的解释。”
    未来对动物心理的研究可能不仅利用真实动物，也可能利用仿生机器动物。例如，一条看起来栩栩如生的机器蛇可能会被用于研究动物在捕食者面前的行为，实际上又不会对这些动物构成真正的威胁。
    最为逼真的机器蛇，是由加利福尼亚州帕洛阿尔托的漫画家加文·米勒博士研制的。因为他准备在一部卡通片中精确地摹画蛇，便对蛇的爬行发生了兴趣。米勒现在把研制机器蛇当作一个业余爱好。米勒的“蛇”是由许多彼此相连的节组成的，每一节由一个自由滚动的轮子支撑。整条“蛇”看起来有点像是一个蠕动的滚轮片。
    机器蛇有朝一日可以用于搜寻和营救——例如在地震过后的废墟中寻找幸存者。米勒说：“蛇机器人也许能够在瓦砾或坍塌的墙垣和天花板之间滑行，寻找幸存者。这样比人搜寻要安全，因为地震之后建筑物常常会有继发性坍塌。”机器蛇的其他应用包括监测核反应堆容器的内部情况，检查下水管和电缆管道。会爬树的机器蛇还可以用于丛林和森林勘测。
    仿生学并不需要太高的成本，也不需要高技术。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验所的马克·蒂尔登研制了一批微型机器昆虫，这些机器昆虫可以凭借自己的力量快速行进，并发挥有益的作用。这些机器昆虫的内部并没有安装微芯片。神经网络
    这些机器昆虫的运动，实际上是由一些电容和电阻组装成的简单电路控制的。每个电路会把电荷存储起来，直至存储电荷达到临界点，电路才会放电，这很像是激活脑细胞或者神经细胞。设想一下，把其中4个神经细胞连接起来形成一个环，这样一个神经细胞放电就给下一个神经细胞充了电，其结果就是这4个神经细胞以连续排列的方式一个接一个地被激活，在每次反应之后会有一个短暂的延时。这对于操作4条腿的机器动物非常理想。每条腿上的辅助神经装置随后就会调整行走所需要的附加运动的时间——诸如脚抬离地面、腿向前或向后移动以及再次让脚放回地面等等。
    蒂尔登把这些控制系统称之为“神经网络”。他取得了这项设计的专利权，这项专利目前已引起了商家的注意。他说：“我们有一个计划，通过空间应用公司研制一些到2003年能用于月球行走的移动机器动物。这些机器动物体积将很小，能独立工作，并设计成能在月球登陆地点附近工作数年，移去月面灰尘，挑选石子运回地球。”
    这些神经网络机器在地球上有着许多更具潜能的用途。蒂尔登说：“它们可以默默地做着人们要做的事情，例如割草、筑路、修理屋顶、监测自然资源等等。”
    蒂尔登自己就有一大群巴掌大小的机器昆虫为他清扫房间。每个机器昆虫的成本只有30美元（只相当于每星期雇用一次清洁工所花的工钱），同时还能做其他家务活。