如何在無人居住的島嶼上部署環境傳感器來長期收集氣候變化讀數而不失敗?如何為地震探測器提供動力使其在水下洞穴中運行數月?

在由于人類面臨危險或困難而難以到達的環境中，像本地植物一樣的設備可能是答案。這是弗吉尼亞理工大學機械工程副教授 Suyi Li和克萊姆森大學教授兼合作者Ian Walker采取的方法。得益于美國國家科學基金會為期四年、價值 84 萬美元的資助，他們的工作正在取得進展。

“幾年前，當我開始涉足機器人領域時，我驚訝地發現幾乎所有機器人都在某種程度上受到人類和動物的啟發，”李說。“然而，我相信廣闊的植物王國可以為我們提供許多關于機器人設計、驅動和操作的獨特經驗。這就是我和伊恩開始共同研究這個主題的方式。“

李建立了一個研究小組，利用折紙原理來創造具有獨特結構的新穎形式的軟機器人。沃克是克萊姆森大學電氣和計算機工程教授，擁有二十年豐富的受生物啟發的機器人技術背景。他們的提案旨在為新設計奠定廣泛的基礎，創造具有能夠在野外條件下長期生存的技術的機器人。

野外機器人

將尖端電子產品與不可預測的自然現象結合在一起通常是世界的沖突。當電力可用且環境可預測或可控時，技術可以成為一種優勢。當電池耗盡和零件損壞時，這些措施就會失效。

這并沒有阻止技術進入戶外，但挑戰也隨之而來。其他研究人員最近在加利福尼亞州和俄勒岡州的偏遠地區部署了用于野火檢測的傳感器，但面臨著諸如在高海拔巖石地區航行以及受保護土地的具體情況等問題。

需要始終開啟并編程來檢測空氣中顆粒或稀有鳥類等物體的設備通常面臨兩大障礙：時間和環境。這些是李團隊正在應對的主要挑戰。其目的不是對抗自然的流動，而是引導自然所使用的方法來生產更具適應性的機器人。

“作為人類，我們自然傾向于考慮注意力時間范圍內的變化，比如秒和分鐘，”沃克說。“然而，長期、持續的戶外部署帶來了另類和獨特的挑戰。在數周和數月的時間里，戶外自然環境是高度動態的地方。植被生長，碎片在暴風雨中落下。在這些條件下，機器人的操作需要以新穎的方式變得更像周圍環境，以保持監控。”

能夠成長和適應的機器人

李和沃克不會制造機器人植物或制造從種子中生長的傳感器。相反，他們的工作將利用大自然提供的洞察力，這些洞察力已被證明是長期持久的。這些自然機制將轉化為適應和響應環境的機制。

他們關注植物的哪些特征?他們的目標是隨著太陽移動的能力，這在向日葵的行為中得到了體現。同樣令人感興趣的是打開和關閉的花器官，就像捕蠅草一樣。他們還記錄了那些適應性地附著在物體上的植物，比如纏繞在樹上的藤蔓。所有這些行為都是植物適應周圍環境的結果，并且每種行為都有一套使該行為成為可能的機制。有些動作速度更快，例如捕蠅草。有些速度較慢，比如穩定盤繞的藤蔓。

為了將這些特征整合到機器人技術中，李和沃克共同努力模仿這些植物行為，并將它們包裝成一套創新的機器人技術。

李的團隊將利用其在折紙方面的工程專業知識，創造出類似手風琴的機器人軀干，可以展開和自鎖，并將其與沃克的仿生電子學知識相結合，創造出一個耐用且能夠響應物體動態的容器。室外環境。該樹干能夠適應隨著樹葉生長和變厚而形成的擁擠空間。以這種方式進行調整有可能克服通常可能導致機器人停止運行的障礙。

為了感知環境的運動，李和沃克預見使用樹葉和針葉的模型來指導他們的設計。這些擴展將配備指導操作和“生長”動作的設備，將有關實時變化的信息輸入行李箱中的電子設備，告訴機器人如何適應。這些可能包括光傳感器等元素，其靈感來自向日葵。仿生針還可以與環境相互作用，將干擾環境監測的樹葉推開。

“大自然為機器人結構的設計和操作提供了各種各樣的存在證據，”沃克說。“特別是，植物行為的特征可以讓我們深入了解系統如何成功適應自然環境并茁壯成長。”

為電子設備供電至關重要，因為機器人無法在電池耗盡的情況下運行，但在人類難以到達的地方維持電源很困難。由于這種必要性，模仿真實植物的能量收集可以持續為機器人提供動力，并防止其在無法更換電池的情況下丟失關鍵數據。李和沃克的團隊正在對為其機器人提供動力所需的方法進行初步研究，其早期工作還包括能源效率。通過使用低能耗的新型采集方法，研究人員可以應對保持機器人長時間運行的挑戰，這在不可預測、荒涼或偏遠的地區部署傳感器時非常重要。

每個植物機器人的方法也將根據其運行的時間長度進行調整。例如，李和沃克的機器人測量數月或數年的長期污染水平的方法將不同于機器人在數天或數周內觀察稀有動物的方法。

最終，該小組希望制造出一種新型機器人，能夠在數月和數年內適應和保護我們的環境，監測溫度和濕度等緩慢變化的過程以及野火爆發等快速發生的事件。

“在監控城市環境時，靜態設備不是問題，因為環境是受控的，”李說。“但在珊瑚礁或森林等環境動態且不穩定的地區，擁有一種能夠生長并適應環境的機器人植物，而不需要由人類替換和移動，將徹底改變我們研究和監測偏遠地區的方式。 ”