水母機器人

1 簡介

　　在美國科幻電影《黑客帝國》中，有數(shù)以千的長著觸角的章魚形狀機器人，它們在該片中被稱為“衛(wèi)兵”，可在空中漂移，

　　對人們和宇宙飛船發(fā)起攻擊。盡管這是科幻電影中的虛構情節(jié)，由基努·里維斯（Keanu Reeves）扮演的主人公“里奧”和戰(zhàn)友們共同抵御機器人的攻擊。但也許在未來這種可在空中漂移的“衛(wèi)兵”機器人將成為現(xiàn)實。

　　德國費斯托公司最新研制的“水母”機器人就與《黑客帝國》中的機器人十分相似，它們長著許多觸角，里面充滿著氦氣，看上去非常漂亮，能像水母漂在海水中一樣漂浮在空中。談及到這款機器人，費斯托公司還研制出另一種機器人——“機器水母”，這是一種能夠在水中漂浮著的機器人。

2 設計特色

　　“水母”機器人是由德國費斯托公司所研制生產(chǎn)。它長有觸角，體內(nèi)充滿了氦氣，在空中飄浮時就好像水中浮動的水母一樣。“空中水母”的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能方面的研究成果，將在海底勘探和航空航天等領域有著光明的應用前景、

　　機器水母的球形身體是個用激光燒結制成的密封艙。它長著8根觸須，這些仿生觸須的構造取材于對魚鰭功能的剖析。每根觸須包含軟硬適度的“主心骨”，骨外面連著柔性的表面，表面分成兩個腔，壓力可以分別調(diào)整，使整個觸須向某個方向彎曲。每根觸須的頂端都有小鰭。受觸須帶動，小鰭像魚尾那樣劃水，推動水母機器人前進。

　　要做到在水中自如游蕩并不容易，水中機器人配備了一系列的傳感器、功能頗強的通訊系統(tǒng)，還有基于機器人群體智能的控制軟件。壓力傳感器告訴水母當前所處的深度，精確到幾毫米；光感應器向它報告潛在障礙的大致位置，包括周圍其他機器人水母在哪里。

　　3相關新聞

　　據(jù)英國每日郵報報道，2013年3月份，美國海軍兵工廠最新研制一款自治化“機器人水母”，它的體積較大，并且與成年人體重相近。美國弗吉尼亞理工學院工程系研究人員最新研制這款機器人原型，它被命名為“Cyro”，之前該研究小組研制了另一款機器人水母，體積是人類手掌大小相近，接近于海灘上最常見的水母物種。

　　機械工程系博士生亞歷克斯-維拉努埃瓦說：“較大的裝置允許更多的有效負載、更長的持續(xù)時間和更長距離的操作性。生物學和工程學結果表明較大的裝置具有較低的運輸成本，它可用于測量運輸方面的能量消耗。”

　　這兩款機器人水母是多個大學聯(lián)合項目的一部分，投資500萬美元。水母是一種較有吸引力的候選模擬者，因為它比其它海洋物種具有較低的代謝速率，消費較少能量。此外，它們具有各式各樣的體積、外型和色彩，有助于實現(xiàn)多項設計。

　　水母棲息在全球主要海域，有能力抵御淡水和鹽水環(huán)境不同等級的溫度變化。多數(shù)水母物種存在于較淺沿海區(qū)域，但一些存在于海平面7000米以下。

　　研究小組正在建造這個機器人水母模型，集成流體力學并研制控制系統(tǒng)。“Cyro”的名字源自Cyanea capillata水母，研究人員希望這款機器人水母未來有助于理解像這樣體積大小動物的機械推進力。體積較大和較小機器人存在著較大的差異性，Cyro由一塊可充電鎳氫電池提供動力，“皮膚”是由厚硅樹脂材料制成，用手接觸有一種粘乎乎的感覺，它能夠保持水母物種的外型特征和運動學，獨立地在水中游動，同時可能收集、存儲、分析和傳達敏感數(shù)據(jù)。

　　美科學家打造機器水母可當水下間諜

　　美國弗吉尼亞理工大學工程學院研制的機器水母“Cyro”，長5英尺(約合1.5米)，寬7英寸(約合18厘米)，重170磅(約合77公斤)，機械肢上覆蓋著白色硅樹脂。

　　北京時間2013年5月10日消息，據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)報道，美國弗吉尼亞理工大學工程學院的一組研究人員研制出一款名為“Cyro”的機器水母，可以充當軍方的水下間諜。它的能力讓超級間諜007也自愧不如。

　　Cyro是美國海軍水下作戰(zhàn)中心和海軍研究辦公室出資的一項計劃的研究成果。這項計劃共投入500萬美元，由美國各地的多所大學參與，旨在研制自供電的自治機器人，用于進行水下監(jiān)視任務或者監(jiān)測海洋環(huán)境。弗吉尼亞理工大學的機械工程系博士生亞歷克斯-維拉努瓦表示：“我們正盡可能讓這款機器人接近于真正的水母，包括在外觀、移動方式和感覺等方面。”

　　美國海軍過去就曾研制機器水母，但沒有一個能夠與Cyro相提并論。2012年，由機械工程學教授沙沙克-普利亞領導的弗吉尼亞理工大學的研究團隊揭開了名為“RoboJelly”的Cyro早期原型的神秘面紗。不過，RoboJelly的尺寸很小，只有人手大小。維拉努瓦指出：“研制體積更大的機器水母的一個重要原因在于增加有效載荷，為安裝儀器設備提供空間，允許其執(zhí)行更為復雜的任務。另一個重要原因在于，機器人的體積越大，往往意味著效率更高。根據(jù)生物學家對動物進行的研究，體型越大的動物從地點A前往地點B所耗費的能量也越小。”

　　“Cyro”這個名字來自于學名“Cyanea capillata”的霞水母。這款機器水母有8條手臂，表面覆蓋白色的柔軟硅樹脂。在設計上，Cyro能夠模擬真實水母的移動方式，在水中自行推進。Cyro的中部有一個控制盒，充當它的大腦。研究人員尚未在Cyro身上安裝攝影機，但以后會進行安裝，同時還會安裝其他監(jiān)視設備。維拉努瓦說：“Cyro裝有一個基本控制系統(tǒng)。我們事先對Cyro進行編程，制定所需完成的任務。進入水中后，Cyro便會按照預先設定的程序執(zhí)行任務。”

　　Cyro采用可充電的鎳氫電池，其中一個缺陷就是游動時間較短，只能連續(xù)游動4個小時。維拉努瓦表示：“這種缺陷從某種程度上說是電池導致的。這項計劃的目標是研制出一款能夠長時間在水下活動的機器水母，同時盡可能將維護需求降至最低。未來的Cyro將擁有更長的續(xù)航能力，一次可在海中逗留數(shù)周，甚至數(shù)月。”

　　研究小組正在尋找其他能量源，為Cyro提供電力。維拉努瓦說：“真正的水母也無法在不進食情況下游動。機器水母也是如此。它們必須補充燃料。我們正在尋找新的能量獲取方式，利用能夠在海洋中利用的任何能源，例如太陽能和波浪能。此外，我們還在研發(fā)更為新奇的方式，例如利用微生物燃料電池消化海水中的營養(yǎng)物。”

　　這款原型距離部署到海洋還有幾年時間。機器水母擁有很多潛在應用。這種機器人可以用于研究魚類，監(jiān)測洋流或者清理漏油。在軍事監(jiān)視行動中，機器水母也能夠發(fā)揮重要作用。維拉努瓦說：“水母的一個巨大優(yōu)勢就是欺騙性，它們是一種你不會感到威脅的動物。如果我看到一個機器鯊魚和一個機器水母，我一定更提防機器鯊魚，而不是機器水母。”

4 氫動力

　　概述

　　美國弗吉尼亞理工大學工程師約納斯-塔德塞等人在美國海軍研究所的贊助和支持下，發(fā)明了一種氫氣動力水母機器人--“機械水母”，這種神奇的機器人在水中可以像真正的水母一樣游動。

　　塔德塞等人的研究成果發(fā)表于《智能材料與結構》雜志之上。塔德塞介紹說，水母游動的動作簡單有效，因此這可以作為水下機器人的理想模型。此外，機械水母以氫作為燃料，從理論上講，它的能量將取之不盡用之不竭。塔德塞表示，“據(jù)我們所知，這是第一個采用外部氫氣作為燃料來源的水下機器人。”

　　結構特點

　　水母是利用其傘狀體內(nèi)部的環(huán)肌進行移動的。當它們收縮時，傘膜將水母的身體關閉于其中，并排出水流，從而推動身體向前移動。當肌肉放松時，傘膜又會恢復原來的形狀。為了模擬水母的運動機制，機器人必須要使用有形狀記憶能力的合金，也就是說所使用的材料能夠記住原始形狀。然后，再將這些材料包裝于碳納米管中，并涂上一層鉑黑粉。

　　機械水母的動力來自于水中的氧和氫以及表面的鉑之間的化學反應所產(chǎn)生的熱量?；瘜W反應產(chǎn)生的熱量傳遞到機械水母的人造“肌肉”上，使其達到伸縮變形的目的。這就意味著機械水母可以從其周圍的水中獲得再生燃料，而不是僅僅依靠有限的電池能量。研究團隊認為，機械水母的能量應該取之不盡用之不竭。

未來發(fā)展

　　至今機械水母仍處于研發(fā)早期階段，但研究人員表示這種機器人最終將可應用于水下營救作業(yè)。這個機械水母可以同時伸縮8節(jié)身體。研究人員正在考慮如何改進，以更方便的方式單獨控制每一節(jié)身體。如果能夠找到解決方案，那么改進版的機械水母活動將更加靈活。

　　這項研究由美國海軍研究所提供贊助和支持。他們希望這項發(fā)明將能夠應用于美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊中。