近日，法国和美国科学家联合在机器人领域著名期刊Science Robotics上发表了一篇题为《从独立和无意识机器人集群到定向移动灵活超结构机器人》（ From collections of independent, mindless robots to flexible, mobile, and directional superstructures ）。论文研究表明，该研究团队通过棒状的单体机器人和柔性支架组合成为一种超结构新型机器人，该机器人可以根据不同的地形从而使得自身变形，从而实现越障和运输，可以代替单体机器人实现一些复杂的任务。
单体和超结构机器人的组成
不同于化学中的超结构含义，该研究里提到的超结构指的是基于机器人集群的新型复合结构。椭圆形状的单体机器人的尺寸为 4.5 cm * 1.5 mm，在研究当中，研究人员利用偏转运动产生这种机器人的定向移动。而为了产生偏转运动，单体机器人的软体驱动足设计成了非对称结构，而且嵌入带有电源模块的偏心质量电机以实现驱动。因此，机器人的运动速度通过可以调整驱动频率和电压来进行控制。同时，由于嵌入了光敏粒子，可以通过控制光来控制单体机器人，从而控制超结构机器人的定点移动。
超结构机器人则是由若干个单体机器人和柔性支架组成，通过产生循环振动来产生定向运动。这样一来，超结构机器人的运动能力就取决于单体机器人的输出特性。由于支架的空间灵活性，超结构机器人可以变形并穿过狭窄的空间和实现越障，赋予了该类机器人的空间探索能力。
图 1 | 利用光控制的单体机器人集群到超结构机器人（ 来源：Science Robotics）
为了探索其运动性能，研究人员对这种超结构机器人在对复杂几何形状空间的探索进行了研究，分别完成负载、越障、清障等任务。在实验中，为了追踪这些单体机器人的运动轨迹和获取相关运动数据，研究人员把单体机器人涂成了黑色，便于观察。
超结构机器人在直通道中的运动
在多个单体机器人开始偏心旋转运动具体在一起，在一定时间后，这种偏转运动转化为超结构机器人才开始运动，实现简单的直线运动：
动图1 | 超结构机器人在直通道中的直线运动（ 来源：Science Robotics）
而且在椭圆型通道中，超结构机器人可以适应地形以进行拐弯：
动图 2 | 超结构机器人在直通道可以适应地形运动（ 来源：Science Robotics）
图 2 | 超结构机器人在直通道中的运动能力（ 来源：Science Robotics）
超结构机器人穿越不同宽度通道
实际情况下的地形是十分复杂的，越障能力的提高对于进行空间探索机器人的发展至关重要。因此，研究人员研究了超结构机器人在越障时的能力，而能力评价标准之一是越障时所花的时间。
动图3 | 超结构机器人穿越狭隘地形（ 来源：Science Robotics）
此外，研究人员对比了实验和仿真下的超结构机器人在不同宽度通道下的运动能力：
图 3 | 仿真和实验环境下的超结构机器人越障能力对比（ 来源：Science Robotics）
不仅可以实现自身的运动，超结构机器人还可以通过单体机器人的运动来实现负载（ carrying load ），而且这种超结构机器人的负载能力可以达到其自身重量的一半：
动图 4 | 超结构机器人负载进行运动（ 来源：Science Robotics ）
而且还可以负载的同时，由于自身结构的优越性，轻松实现越障：
动图 5 | 超结构机器人负载同时实现越障（ 来源：Science Robotics）
图 5 | 超结构机器人负载穿过圆柱体（障碍）（ 来源：Science Robotics）
单体机器人和超结构机器人的应用
当路面上存在障碍物（空心圆柱体）时，机器人还可以实现对路面进行清理。研究人员对比了两种类型的机器人在清障效果。
动图 6 | 单体机器人清障（ 来源：Science Robotics）
可以发现单体机器人的清障能力有限，而装载了 20 个单体机器人超结构机器人在不到 40 秒的时间里把空圆柱推出场地，实现高效率的路面清障：
动图 7 | 多体机器人对路面进行高效率清障（ 来源：Science Robotics）
可实现光控驱动的超结构机器人
当没有光线时，超结构机器人处于静止状态。当灯打开 10 秒后，由于单体机器人嵌入了光敏粒子，光照射到光电晶体管上时，机器人的电机被驱动，从而驱动组会产生顺时针方向的偏转运动，机器人之间发生碰撞，形成一个移动集群，最终实现超结构机器人的驱动：
动图 8 | 光线控制机器人进行运动（ 来源：Science Robotics）
同样，光线控制下的超结构机器人也可以实现越障和用于清障：
图 6 | 光线控制下的超结构机器人用于清洁场地和越障（ 来源：Science Robotics）
该团队对超结构机器人进行了研究，包括对机器人进行负载穿过障碍或清理场地。还提出了使用光对超结构机器人进行基本控制。发现可以通过使用结构简单，价格便宜的单体机器人能够制造出具有空间探索特性的灵活的超结构机器人，为未来机器人清理障碍物，通过收缩通道等难题提供了一定的研究价值。
-End-
