近日，宾夕法尼亚大学研究人员正在开发一项机器人动力技术，让机器人像细胞生物一样，自由自主的“觅食”和避险，而无需外部供能。通常，为移动机器人供能有两个选择：内部储能或外部收集，例如电池、太阳能电池板。但电池蓄能越多越笨重，太阳能电池板无法快速、持续供电。

　　因此，工程与应用力学系助理教授詹姆斯·皮库尔(James Pikul)与团队一同研发环境控制电压源(environmentally controlled voltage source;ECVS)，可有效弥合前两种技术的缺陷，为移动机器人持续供能。

　　该研究发表于《高级智能系统(Advanced Intelligent Systems)》上，论文题目为《使用电磁法进行计算机自由自主导航和发电(Computer‐Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro‐Chemotaxis)》。

　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000255

　　一、自主觅食，通过“吃”金属来获得能量

　　皮库尔表示，研究灵感来自一种生物本能，那就是动物会通过寻找食物而获得动力。

　　团队研发的ECVS，正是能使机器人通过“找食物”而运动起来，不过“吃”的是金属。

　　ECVS是一种有源电路元件，通过氧化还原作用产生自由电子，并从外表面的化学键中提取电能。因此，ECVS可以在没有计算机的情况下为移动机器人提供动力。

　　就像一个简单的生物一样，这些ECVS驱动的机器人现在能够寻找自己的“食物来源”，尽管它们缺乏“大脑”。

　　通过ECVS单元驱动双轮，机器人表现出一种基本的导航和觅食能力，自动转向它可以“吃掉”的金属表面。

　　二、自主避险，像舌头一样感知、消化能量

　　他们的研究还概述了机器人无需中央处理器(CPU)即可实现的更复杂行为。

　　在ECVS单元的空间和顺序排列不同的情况下，机器人可以根据食物来源的存在或不存在来执行各种逻辑操作。

　　皮库尔说，细菌能够通过一种叫做趋化的过程自主地寻找营养物质。趋化作用即生物对外界环境中的化学物质刺激所产生的定向运动的反应。在此过程中，它们能够感知化学浓度的变化。

　　微型机器人与微生物有着相似的限制，无法携带大型电池和复杂的计算机。因此，皮库尔团队探索如何让ECVS技术复制细菌这种趋化行为。

　　▲ A)蚂蚁避免危险并跟随食物获取能量。B)合成模拟物的示意图，由沿金属燃料源导航，同时避免危险。C)移动机器人在没有计算机的情况下沿着金属燃料路径行驶。

　　在实验中，他们将机器人放在铝表面上，从而为其ECVS单元供电，并且展示了ECVS单元如何让机器人“避险”，并将其导航到电能更丰富的地方。

　　一是能避开转弯处的绝缘胶带。研究人员表明，如果机器人的EVCS单元连接到另一边的车轮，它将自动沿着金属铝表面行驶，避开绝缘胶带。

　　二是能避开粘性绝缘凝胶，机器人可以通过移动逐渐擦掉它。由于凝胶厚度与机器人的ECVS从其金属中提取的功率直接相关，研究人员能够证明机器人在转弯时对此类环境信号做出了反应。

　　通过“避险”，机器人能更自主、持久、顺畅的移动。

　　皮库尔说，在某些方面，它们就像舌头一样既能感知能量，又能帮助消化能量。

　　三、“爬行”于废墟，自主机器人将更灵敏

　　通过了解ECVS单元可以获取能量的类型，研究人员可以设计不同方案嵌入机器人中，以实现所需的导航类型。

　　皮库尔说，将ECVS单元与电极相反的电机接线可以让机器人避开他们不喜欢的表面。通过接线方式的不同，可以匹配机器人的“生物”偏好。

　　重要的是能够区分危险且需要避免的环境，以及那些不方便且必要时可以通过的环境。

　　随着ECVS技术的发展，它们可用于在自主、无计算机机器人中编程更复杂、更灵敏的行为。

　　通过将ECVS设计与机器人需要操作的环境相匹配，皮库尔设想了小型机器人在废墟或其他危险环境中爬行，在保护自身的同时将传感器送到关键位置。

　　皮库尔说，如果我们有不同的ECVS，这些ECVS适应不同的化学物质，我们就可以让机器人避开危险的表面，通过那些提供动力的表面。

　　结语：微型机器人逐渐生物化

　　机器人学、人工智能和人工生命领域长期以来一直试图模仿生物学的自主导航能力，最常见的是通过在计算机上运行的决策算法。

　　相比之下，活性胶体、微型游泳机器人和微型移动机器人可以在没有计算机的情况下自主导航或远离环境吸引剂或危害，像细胞生物的感官一般，做出导航、觅食、避险等决策。

　　正如未来学家凯文·凯利在《失控》中预测的那样：机器，正在生物化。