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细菌做“眼睛”、蟑螂当“跑腿”……总有一些特立独行的机器人

发布时间:2022-06-13 03:25:32 阅读: 来源:按摩床厂家
细菌做“眼睛”、蟑螂当“跑腿”……总有一些特立独行的机器人

x从《弗兰根斯坦》中用铁钉铆起血肉的人造人,到《攻壳机动队》中用义肢替换器官的生化警察。在很多科幻作品中,都有各种钢铁与血肉混合的生命体。现实中,机器人领域的研究者们也在尝试将生物与机器进行融合。他们既可以利用生物材料的某些特性,或者依照仿生学的思路师法自然,也可以直接改造、控制生命,为人类服务。这类研究,统称为生物混合机器人(BiohybridRobot)。机器人领域的研究者们正尝试将生物与机器进行融合。生物混合机器人研究中最直接的形式,就是把来自生命的材料直接装进机器。当然,这种研究绝不是恐怖电影中常见的,眼球放进钢铁头骨,或者手臂大腿拼到机械躯干。现阶段,研究者们主要是利用某些生命的一些特殊能力,比如能够发光的细菌。作为单细胞生物,发光细菌能将化学信号转化为光信号,是生物实验室中常见的研究素材之一。它们在很多方面都有着应用潜力,比如作为传感器来使机器在小尺寸下,完成对特定化学物质的探测。卡内基梅隆大学的研究者通过人工合成的发光细菌捕捉化学信号,再通过发光二极管激发这些细菌的荧光反应,使细菌发光。化学物质的浓度会影响光信号的强弱。随后,这些光信号被光电探测器转化为电信号,传输至处理芯片。将这些发光细菌和配套装置整合到柔性机器手中,就能极大扩展这些机器手的功能如同为机器手安装上了感受化学信号的眼睛。

发光细菌在机器手中起到了传感器的功能|参考文献[1]/汉化:莔莔细胞不仅可以作为传感部件使用,也可以作为驱动部件。日式料理中经常出现一种叫做纳豆的食物,这是由黄豆通过纳豆菌发酵制成的豆制品。纳豆菌细胞对于湿度十分敏感,遇湿膨胀,干燥则收缩。正是这一种看似普通的特性,如若经过巧妙设计,就可以实现出神奇的功能。麻省理工学院的研究人员设计了一套微米级分辨率的生物打印系统,可以将纳豆菌细胞打印成各种各样的形状。通过预先设计的巧妙结构,能让这些纳豆菌细胞构成的物件,成为对湿度变化进行反应的小小机器。比如,打印出的茶包标签会在茶泡好时展开,打印出的干花则可以将湿度变化以绽放的形态显示出来。

纳豆菌细胞打印出的茶包标签与干花|参考文献[2]如何飞得更好,这还得听鸟的除了对生物直接进行利用,师法自然也是机器人研究者们的必修课。1903年,莱特兄弟向鸟学习了飞翔。自飞机问世以来,人类已经设计出了各种各样的飞行器。但是,无论是空中客车还是无人机,它们在飞行过程中的能量利用率始终比鸟类逊色不少。鸟类能够保持高效率飞行的重要原因之一,是它们的羽翼可以对自身形体进行灵活、动态的调节,以适应瞬息万变的气流环境。通过对鸽子骨骼和羽翼的动力学研究,斯坦福大学的学者发现了羽翼上不同羽毛之间的运动与协调规律。他们收集起40根真羽毛,模仿骨骼设计了连杆结构,通过4个微型电机对这些羽毛进行协调控制。这种真羽毛+电机的生物混合机翼,可以在气流中迅速而稳定地变形,从而实现高效飞行。也许未来的某一天,我们就会搭乘上煽动翅膀的机器大鸟,在空中翱翔。不仅仅是飞行,机器人的协调运动一直都是研究难点。比如,怎样让机器如同人类手指一样灵活,就是个巨大的挑战。东京大学的研究人员参考了骨骼肌,通过在机器人中加入肌肉组织,让机器在微小尺寸下更加精确、稳定地运动。他们设计了一个带有关节的机械手,利用对称的骨骼肌进行驱动,使关节能够进行大角度的旋转。很多动物都能做出这种对抗性放松收缩的肌肉动作你在拾取或放下东西时,手指上发生的就是这类动作。通过这种设计,就能做出一个灵活的机器手指了。 朋友,你想驾驭蟑螂吗?使用细胞或者肌肉作为一部分零件,亦或是从生物的进化中汲取灵感,这些技术思路固然巧妙,但能否更直接些,让我们来操控一个生物!北卡罗莱纳州立大学的研究者将目光投向了一种和蔼可亲的小动物蟑螂。

蟑螂能够利用触角感受前方的障碍物,利用腹部上的尾须感受后方天敌的运动,借此改变自己的行动路线可以说,触角和尾须,就是它们的天线和后视镜。背着控制装置的蟑螂|参考文献[5]研究人员将控制芯片、WiFi芯片等集成到了一个轻巧的电路板上,并把这块集成小装置固定在蟑螂背部。通过电极刺激蟑螂的触角和尾须,就能欺骗它们的方向调控。于是,这样一只背着小背包的蟑螂,就能按照指令前进了。如果实验中使用了广东的蟑螂,说不定能造出一个飞行机器人。不过,简单的控制已经无法满足科研人员的野心,他们有些大胆的想法从零开始创造活的机器人。就在今年,美国国家科学院院刊报道了来自美国塔夫茨大学的研究成果:科学家们创造了一款活体机器人,名为Xenobots。这款活体机器人完全由蟾蜍的细胞组成。准确来说,是两种蟾蜍细胞:一种是表皮细胞,弹性较弱,作用类似于机器人中的骨架;另一种是心肌细胞,能够进行伸缩,可以充当驱动部件。(左)绿色方块代表蟾蜍的表皮细胞,红色方块代表蟾蜍的心肌细胞。(右)两种细胞组成计算机设计的构型以实现指定的功能|SamKriegman为了让活体机器人可以按照人们指定的方式移动,研究团队应用了遗传算法。当想让机器人完成某种动作(比如:沿直线移动)时,遗传算法可以给出一套最优化的模型。按照这一优化模型,研究者使用显微工具对蟾蜍细胞团进行加工,就得到可以做出指定动作的活体机器人。这些基于不同模型的细胞团尺寸在1毫米左右,可以完成移动、推动物体、自动愈合等功能。Xenobots的一个模型(左)及其实物(右)|www.uvm.edu这些看似平平无奇的细胞团,就是人类有史以来第一次完全从头开始设计的生物机器。生命与机器的界线技术飞速进步,生物与机器相互交融,科幻电影中的场景似乎离我们也没那么遥远。无论是借由生物改进机器性能,还是让机器向生物学习运动方式,生物混合机器人的研究一直在暗示着这样的道理:只有愈发理解生命,才能更好地创造机器。然而,技术之外,更多问题浮出水面。生物与机器间的界线逐渐模糊:Xenobots由100%的细胞构成,那么,该称其为生物还是机器?或者,我们又该如何定义生命?当人类试图扮演造物主,接下来的故事如何发展,充满未知与挑战。

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