在年夜天然中，优雅的工程处理计划触目皆是，而机械人范畴的专家们正在尽力解开它们的机密。我和保卫用了5分多钟才穿过了应用二战时代的仓库改革的修建，先要经由过程迷宫般阴暗的走廊和海绵状的轨道舱，然后穿过全是太空船骨架的试验室，终究才达到功课台，美国水师正在这里建造机械人松鼠。这类机械人松鼠的全称是中标准机械人活动筹划（MeRLIn），它可被视为啮齿怪物。到本年春季落成时，这类机械人重约9斤到20斤。
MeRLIn由矩形管和第十代狗关节腿构成，然后装置在滑动铝支柱上。旁边的深蓝色3D打印模块显示其完成时的状况：无头的四腿机械，体型与约克郡梗相当。然则当这个项目标工程师启动它停止演示时，我看到他们为什么爱好将MeRLIn打造为松鼠形状了。固然它应用小型马达和液压驱动活塞，但它却能跳得异常高。
生物突起
MeRLIn只是比来从植物身上找到灵感而开辟出的机械人之一。植物王国充满着很多聪慧的感应和活动例证，而在电池驱动、动力无限的主动机械人世界，效力才是症结。例如模拟袋鼠的腾跃才能，可以赞助机械人完成功耗和机能之间的幻想均衡：每跨出一步，这些有袋植物的后肢都邑供给壮大的贮存能量，使得袋鼠在能量消费较少的状况下远程观光。
在最具立异性的机械人设计赓续出现的明天，生物学为其供给了伟大支撑。看看加州年夜学伯克利分校的Salto，它从非洲跳高婴猴身上取得灵感。而弗吉尼亚年夜学的mantabot，则是模拟切萨皮克湾牛鼻魟研制的。很轻易懂得如许做的缘由。从生物身上取得的启示在设计方面存在显著优势，特殊是触及到那些人类很难顺应和完成的义务时。
从渺小的苍蝇到深海鱼类乃至微生物（有些燃料电池由微生物化学驱动），年夜天然都在以异常有用的方法对生物停止修正和调剂，以便它们顺应各类情况。数百万年的退化使得植物们可以或许飞翔、腾跃、行走和泅水，在有形光谱中停止感知。另外，它们还有我们能够至今仍未发明的更多才能。
然则现在正在建造的生物机械人远非植物的机械复成品，它们是这些优雅生物处理计划成长的偏向。如今，我们须要解析这些生物战略，并将它们的重要实质分化出来，以应用它们来完成我们的目的。迷信家和工程师们建造这些可以或许更好挪动的组件、可以或许深刻思虑的处置器和可以或许准确检测的传感器，然后将它们整分解为真正有效、可批量完成难以完成的义务的计划。
后期挑衅
假如MeRLIn看起来让人认为很熟习，切实其实如斯。这个项目标首席查询拜访员格伦·亨肖（Glen Henshaw）说，现实上，MeRLIn从其他互联网著名机械人身上取得灵感，好比Boston Dynamics的L3、Big Dog和麻省理工学院的Cheetah。水师研讨试验室的工程师们愿望可以或许研收回体型更小、更宁静和更灵活的机械人，它不须要两个年青魁伟的水师陆战队兵士抬着它来检讨潜伏风险。然则开辟MeRLIn并不是简略地将机械人减少，以便其能放进兵士的背包中。它还个须要懂得特定步态功效的进程，为什么这些步态合适分歧的地形，和若何制作可以或许进修顺应和选择准确步态的机械人。
在MeRLIn的功课台上，掌握工程师乔·海耶斯（Joe Hays）向电脑中输出几个测试指令，让机械人的腿部抽动和蓦地拉动。在他去除支持铝柱后，MeRLIn的单腿便可以支持住砖头年夜小的身材。随后，掌握权交给液压掌握体系，跟着闪电般的痉挛，merRLin的腿弹跳到1米高的空中，然后被从新引诱回垂直金属轨道上。反复这个进程3次，机械人在最初一次强力腾跃后撞到了防护罩的顶部，随后重重摔在地上，腿部断裂。亨肖说：“坦白地说，有许多我们还不晓得的植物活动方法。我们真的不懂得神经肌肉体系，我们正测验考试建造某些不晓得应当若何行走的器械。”
这个团队也在研讨水力学方面的一些成绩，但应用自顺应算法曾经发明了优越的胜利形式，这类算法以每毫秒1次的速度探测并改正硬件电路中的不肯定性。他们以为，它无望在几个月内从空中跳到桌子上。在宾西法尼亚年夜学，在丹·科迪茨切克（Dan Koditschek）的指点下，艾维克·德（Avik De）与加文·肯尼利（Gavin Kenneally）设计的Minitaur是最新的超小型、轻量化的四足机械人。Minitaur重约6千克，可以腾跃步态进步。然则当你看到它爬楼梯、翻围墙和腾跃解锁的视频，宠爱能够敏捷酿成疑惑。
德和肯尼利经由过程应用自在摆动、直接驱动的腿部取代传统齿轮驱动腿部，年夜幅增添这类机械人的身材。马达作为反应传感器与机械人的软件相连，检测和调剂扭矩，每秒可停止1000次。成果机械人可以迟缓或疾速跳动、爬楼梯、跳起来、摆动腿部，然后钩住门把手将其翻开。固然它还远未完成主动化，而且缺乏能让它自在运动的传感器和掌握体系，但Minitaur奇特、可调弹簧高跷式的行为注解，即便没有壮大的驱念头制，仍然可完成灵巧性。它是由市场上购置的零部件组装的。
德说：“明显为这些人装置腿部有足够的念头，但以后的技巧状况还不敷成熟，并且异常昂贵。”德明显也指Boston Dynamics的Atlas机械人，虽然其才能更强，但本钱昂贵，技巧庞杂，很难仿造。他说：“我们想要制作其别人也能应用的机械人，以便于他们可以或许在本身的运用中测验考试。”
蛇形计划
霍维·乔塞特（Howie Choset）认可本身很怕蛇。然则出人意表地是，他最有名的作品却简直都出现蛇形。乔塞特是美国卡内基-梅隆年夜学副传授，自从攻读研讨生以来就在研讨蛇形机械人，并获得一系列造诣。他主管卡内基-梅隆年夜学旗下机械人研讨所，这个试验室中的很多正在开辟的发明性功效都是从蛇身上取得灵感的。他照样比来新推出的《Science Robotics》期刊总编，并编写了有关机械人活动道理的教科书。在忙碌之余，乔塞特还开办了2家公司Hebi Robotics和Medrobotics。个中，后者重要研讨先辈的内窥镜手术对象Flex Robotic System，2015年曾经取得FDA同意应用。
乔塞特曾为Flex Robotic System的灵感能否来自蛇停止辩护，他称机械人的蛇形是基于人类心坎空间的弯曲而设计的。然则其别人比来的任务明显是经由过程不雅察蛇，并模拟它们的行为开辟机械人，特殊是经由过程与佐治亚州理工学院物理学家丹·戈德曼（Dan Goldman）协作，后者重要研讨生物力学，经由过程从螃蟹、海龟、甲由、弹涂鱼和鲨鱼身上取得灵感设计机械人。
乔塞特也认可，他的研讨曾遭到仿活力器人前驱之一罗伯特·福尔（Robert Full）的影响，后者是加州年夜学伯克利分校部属Poly-Pedal试验室担任人。经由过程研讨甲由若何挪动，壁虎若何爬上垂直墙壁，福尔、乔塞特和其他专家想法将这些机密归结成通用设计准绳，而这些准绳可运用于新的机械人设计计划中。乔塞特说：“我们应当复制生物学吗？不，我们须要讯问生物学家，我们想要的是最好的设计准绳，并将其投入运用。”
乔塞特、戈德曼和Zoo Atlanta的约瑟夫·门德尔松（Joseph Mendelson）配合研讨响尾蛇的活动方法，终究将其激烈的扭动活动归结为一系列的变形波。将这些常识运用到蛇形机械人项目中，乔塞特的团队可以或许让他们的机械人爬上沙堆，这在此前是弗成能完成的义务。懂得蛇若何转变体形以顺应四周情况也让乔塞特开辟出新的蛇形机械人，它可以环绕纠缠柱子和进入门楣内侧，他假想这类设计能够被用于摸索异常风险的外部情形，好比核电站或难以进入的考古遗址中。
乔塞特说：“现实上，生物是如斯的庞杂，我只愿望可以或许将其机制运用到我们的机械人中。然则我们并不是要复制植物具有的才能及其庞杂性，我们愿望树立具有更年夜成长潜力的机制和体系。”乔塞特本身获得的提高和先生们获得的造诣与发明，被相当有时地运用到开辟到机械人的范畴中。他说：“退化是自觉的，也没有转机点，只要一系列的成长。从内部看来，它们就像是获得了严重冲破。”
症结路口
许多时刻，工程师们不懂得生物学道理，这就须要工程师和生物学家停止协作。在芝加哥年夜学，生物学家马克·韦斯特尼特（Mark Westneat）正研讨隆头鱼，并与水师睁开协作，促使他们开辟出在水下挪动迟缓却异常灵巧的机械人WANDA，可被用于赞助检讨船体、船埠和石油钻井等。
20多年前，高速摄影是个主要的研讨课题，其时韦斯特尼特方才开端停止隆头鱼成像研讨，尔后水师对他的研讨也发生兴致。在恒定电流的活动池中，韦斯特尼特称其为“鱼儿跑步机”，隆头鱼在那边高兴的游动，只应用胸鳍就可以在活动池中坚持在固定地位上，而高速摄像机可捕获到其活动的每一个细节，每秒速度到达1000帧。
联合生物学家对隆头鱼停止剖解取得的具体常识，好比鱼鳍若何附在肌肉上、鳍膜中神经末梢若何传递应力和张力等，这些摄影可以或许赞助迷信家们深刻懂得隆头鱼若何经由过程在水中扭出发体、拍取水流推动本身。这类才能可以让隆头鱼坚持在原地彷徨，身材不被水流冲走。WANDA项目首席工程师杰森·葛德尔（Jason Geder）说，这类才能让隆头鱼成为旧式灵巧水下装备的幻想模子。他说明称：“传统螺旋桨或助推器驱动的水下装备没有这类可操作性，或许转弯过年夜。而隆头鱼长短常好的鱼类模子，由于假如我们要想在水下装备中间附上刚性外壳，我们可以应用这类胸鳍活动取得类似的机能。”
韦斯特尼特以为，新的3D摄影才能可进一步增强研讨。他说：“关于鱼儿来讲，这攸关生计或逝世亡。而关于我们来讲，更好地舆解效力意味着我们会取得更好的动力。我们真的想要模拟薄膜底层的骨骼构造和机械机能，看看我们能否可以获得超高的效力。”
关于研讨人员来讲，博物馆的生物珍藏是另外一个还未被充足应用的丰硕资本。以史密森博物馆为例，这里有近60万种脊椎植物标本。而弗吉尼亚理工年夜学的罗尔夫·穆勒（Rolf Müller）正在这类优势，他从蝙蝠身上取得灵感开辟无人机。应用博物馆中蝙蝠耳朵和鼻子的3D扫描，穆勒曾经制作出相似构造的飞翔机械人。他说：“那边的抽屉里搜集稀有以百万计的样本，你可以敏捷拜访。”他约请博物馆专业人员和研讨人员赞助在全国各地推动相似的仿生研讨。
不管是活动池中的鱼照样躺在抽屉中的样本，将它们从数据酿成有效情势仍然存在挑衅。韦斯特尼特说：“典范的工程师须要规格，但生物学家能够会交给他们剖解图。”直到亲身开端某些工程会议，韦斯特尼特才认识到本身的任务可供给鱼儿活动的机械数据，这些活动可被转换成机电功率、力气和数据，工程师们用它们开辟更好的机械。他说：“这些都是天然选择在施展感化，但它们也可以让主动车辆变得分歧。”
前往黉舍
进修、记忆和采取都存在挑衅。让我们从新回到水师改革仓库，MeRLIn团队仍然在努力于处理小型化成绩。然则他们都认识到，它们假想的机械人若没有进修、记忆和顺应才能，还不算完全。亨肖不在试验室任务的时刻，会在家中养羊。他说，不雅察新出身的羊羔踉跄学步也强调了人工复制这个进程的难度。他说，没人真正懂得这个进程，羊羔须要赓续调剂它们的活动，以便跟着生长疾速顺应身材变更。他的团队正采取这类战略编写软件，可以让他们转变MeRLIn的步态。
别的，亨肖也在加入其他项目，赞助开辟源自生物的进修体系。他展现了视频，显示机械腿将球踢进球门中的进程。经由3次编程，腿部可主动踢球78次，它能体系性地选择本身的目的，并追踪其胜利和掉败。经由进一步细化并运用到MeRLIn如许的机械人身上，这类代码能够让行走机械人更轻易顺应本身分歧的有用载荷或腿长。
亨肖表现：“很多项目都有本身的方程式，以经由过程及时的年夜数学方程赞助找出优化重力中间或活动的计划。这类办法很有效，但它其实不完整属于生物学。我不克不及说为踢球机械人编写的算法正产生在年夜脑中，但它看起来仿佛是必定要停止的工作。人类经由过程理论进修爬树和地球，而非数值优化。”
但亨肖弥补说，深度进修和拜访搜集到的常识极可能加快这个过程，但是硬件还不敷硬朗或仍然很小，没有合适的器械能顺应小型化的MeRLIn。他说：“假如你想要这些小机械人，那末我们不用对算法做出太年夜改良，而是尽力开辟运转它们的硬件。不然，你会发明电脑、电池都太年夜了，小型机械人基本没法高效任务。”
新兴市场
生物供给的立异身材平台和活动战略的捷径，也能够有助于使从生物身上借用灵感的机械人在经济上变得加倍可行。乔塞特并不是独一创立公司来推动其创造投入现实运用的学者，现实上，由挪威科技年夜学机械人学传授克里斯汀·派特森（Kristin Ytterstad Pettersen）赞助的Eelume，今朝正倾销本身的机械人泅水蛇，以用于水下摸索和检讨义务。德和肯尼利开办的Ghost Robotics公司也在出售Minitaur。
年夜型私家企业也正介入到这个范畴中来。Boston Engineering的船舶检测机械人BioSwimmer曾经进入最初现场演示阶段。这类机械人不只从金枪鱼身上取得灵感，其全部内部躯体都是基于1.5米长的蓝鳍金枪鱼设计的，这条鱼是该公司在沃尔瑟姆的办公室邻近捕捉的。就像金枪鱼那样，BioSwimmer推动器的动力源自尾部，让机械人前半部门装置各类传感器和有用载荷。他们的目的不是模拟金枪鱼，而是应用这类植物的效力和高机能。
Boston Engineering先辈体系团队主管迈克·卢弗（Mike Rufo）表现，设计的生物方面没有那末轻易打造出来，但它也不会额定增长难度。卢弗传播鼓吹，该公司正建造BioSwimmer（1.5米长、45千克重），相似项目本钱约为100万美元，而BioSwimmer的本钱仅与相似体型的车辆差不多。但灵感源自金枪鱼推动战略供给的活动效力让它应用尺度动力源时可运转更长时光。
卢弗说：“总的来讲，在我们打造仿活力器人的进步路上还有很多技巧妨碍，但生物灵感也异样供给了机遇，让我们可处理那些直接挑衅，或在某种水平上加重这些挑衅带来的影响，并进步机能。举例来讲，虽然电池技巧获得了使人高兴的提高，但在我们的平台上，你能将若干动力注入小型机械人身上？假如你能处理体系的效力成绩，或许电池的影响就不会太年夜。在这方面，生物灵感可施展伟大感化。”不外，卢弗以为如许的机械人还不罕见，除国防运用外，至多还须要5到10年时光能力普及。
在我们平常生涯中涌现不那末使人不寒而栗的机械人助手前，我们还须要战胜很多妨碍。曩昔几年，这个范畴曾经获得了伟大提高，生物学和退化相联合的目的也日趋清楚，我们更加存眷生物壮大的顺应才能和履行才能。韦斯特尼特说：“有时刻，我看着这些水下机械人，它们仿佛仍然显得愚笨，但那是由于我习气了看到优雅的植物穿过珊瑚礁。而以为工程师和生物学家可以联手研讨机械人，让它们可以本身跳进水中履行义务，愈来愈不使人觉得惊奇。这个范畴产生的一切都使人觉得高兴！”
