科學(xué)家研發(fā)識(shí)別能量源的傳感器，可助機(jī)器人在高能源區(qū)域“覓食”

文章來源：DeepTech深科技。

在機(jī)器人及智能材料領(lǐng)域，經(jīng)典控制系統(tǒng)會(huì)面對(duì)一些無(wú)法處理的場(chǎng)景，而無(wú)電腦控制系統(tǒng) —— 能夠靠通過感知周圍環(huán)境因素而自行決策前進(jìn)路線的控制系統(tǒng)，因此可以代替經(jīng)典控制系統(tǒng)，從而解決經(jīng)典控制系統(tǒng)無(wú)法處理的問題。

盡管在諸如微游泳器和活性膠體中，已經(jīng)使用了無(wú)電腦控制自主決策功能，但目前已使用無(wú)電腦控制的系統(tǒng)都有一個(gè)共同點(diǎn)：只能在周圍是可充電液體的環(huán)境中使用。

目前，還沒有能夠在干燥環(huán)境中通過靠周圍環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)來為自己提供足夠動(dòng)力并進(jìn)行移動(dòng)和操縱的大型機(jī)器人和車輛設(shè)備。

本文介紹的這項(xiàng)工作則通過使用環(huán)境控制電壓源（ECVS，environmentally controlled voltage source）突破了干燥環(huán)境這一限制，相關(guān)論文的第一作者是王敏。論文以《使用電趨化性的無(wú)計(jì)算機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航和發(fā)電》（Computer-Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro-Chemotaxis）為題，于近日發(fā)表在 Advanced Intelligent Systems 上。

圖 | 車輛避開危險(xiǎn)（來源：受訪者）

在論文中，他表示當(dāng)車輛上的電動(dòng)機(jī)與 ECVS 相連時(shí)，ECVS 可以給車輛充電，并通過無(wú)電腦控制自主決策功能為車輛導(dǎo)航，將車輛帶到附近的化學(xué)燃料充電站或遠(yuǎn)離周圍的危險(xiǎn)因素。

此外，ECVS 利用化學(xué)燃料通過電化學(xué)方法進(jìn)行充電，并且可以避免車輛輸出電壓降低或電化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的危險(xiǎn)。

圖 | 自主導(dǎo)航（來源：受訪者）

研究中，王敏還將兩個(gè) ECVS 串聯(lián)或并聯(lián)布置，從而可以根據(jù) ECVS 周圍接觸的化學(xué)物質(zhì)來執(zhí)行不同的邏輯功能。這項(xiàng)工作提出的在干燥情況下進(jìn)行無(wú)電腦控制的新方法，即通過電化學(xué)來根據(jù)周圍環(huán)境中的各種化學(xué)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)，從而可以在不使用計(jì)算機(jī)的情況下為車輛和機(jī)器人提供動(dòng)力并進(jìn)行導(dǎo)航。

王敏說，毫米和厘米大小的機(jī)器人必須由小的電源來驅(qū)動(dòng)其傳感器、微控制器等，使其完成各種任務(wù)。然而，電池容量與材料的重量成正比，所以微電池的能量有限。

例如，最好的商用微電池只能為昆蟲大小的爬行機(jī)器人提供大約 1 分鐘的動(dòng)力。因此，需要一種全新的能源系統(tǒng)來克服這一挑戰(zhàn)。本次工作中提出的 ECVS 克服了這一挑戰(zhàn)，它從環(huán)境中（金屬和氧氣）提取能量，就像一個(gè)能量采集器，從而減少了機(jī)器人小車的重量。

圖 | ECVS 的性能（來源：受訪者）

機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)避障會(huì)引入紅外或超聲裝置，但都易受周圍環(huán)境的影響（光線、溫度），ECVS 還可以幫助機(jī)器人在不借助電子控制系統(tǒng)的條件下，自主實(shí)現(xiàn)避障導(dǎo)航。

此外，機(jī)器人可以像細(xì)胞生物一樣，可以自由自主 “覓食” 和避險(xiǎn)，而無(wú)需外部供能。這里的 “覓食” 指的是，讓機(jī)器人具有自主尋找環(huán)境中可利用能源的能力。

當(dāng)機(jī)器人電量不足時(shí)，需要及時(shí)到充電站補(bǔ)充電能繼續(xù)工作。ECVS 類似于一個(gè)傳感裝置，可以幫助機(jī)器人發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境中的金屬源（例如易拉罐）并從中獲取電能，如果遇到無(wú)能量物體，會(huì)自動(dòng)避開。

簡(jiǎn)單來說，ECVS 是一個(gè)可以識(shí)別能量源并同時(shí)提取能量的傳感器，幫助機(jī)器人趨向高能源區(qū)域” 覓食”。

圖 | ECVS 的邏輯門（來源：受訪者）

其中，ECVS 的具體研發(fā)過程如下，在沒有外力的干預(yù)下，單個(gè) ECVS 只能驅(qū)使機(jī)器人小車在金屬板上沿直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到無(wú)金屬區(qū)域，會(huì)停止前進(jìn)。概括來說，這些工作的初衷是為了保證機(jī)器人小車可以避開無(wú)能量區(qū)域繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

研究中，王敏先設(shè)計(jì)出多個(gè)機(jī)器人小車的三維模型，再 3D 打印出來。測(cè)試了大概 10 個(gè)模型，才最終確定。通過計(jì)算馬達(dá)的工作功率，確定了 ECVS 的尺寸。

這一步比較費(fèi)時(shí)間，因?yàn)樾枰O(shè)計(jì)出可以穩(wěn)定協(xié)同工作的所有配件，摸索中尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。之后的工作相對(duì)順利，機(jī)器人小車按照預(yù)期完成了所有的功能，整體工作在半年內(nèi)完成。

另?yè)?jù)悉，ECVS 可有效彌合內(nèi)部?jī)?chǔ)能或外部收集兩種技術(shù)的缺陷，為移動(dòng)機(jī)器人持續(xù)供能。其中，ECVS 的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，在鉑碳上面粘上聚丙烯酰胺水凝膠，這是一種能夠儲(chǔ)存電解液和實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)的半固體物質(zhì)。

日?？梢姷慕饘僦袃?chǔ)存著大量的電能，當(dāng) ECVS 接觸金屬（鋁、銅、鎂和鐵等）時(shí)，會(huì)組成金屬空氣電池體系，輸出一定的電壓，從而判斷出高能量、低能量和無(wú)能量區(qū)，在收集能量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，向相對(duì)高能量區(qū)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)然這都需要多個(gè) ECVS 組合完成，可以根據(jù)需求，調(diào)整 ECVS 的數(shù)量、位置、連接方式。當(dāng)沒有能量差時(shí)，機(jī)器人會(huì)保持直線運(yùn)動(dòng)。那么問題來了，如果出現(xiàn)能量差，但機(jī)器人仍需要保持直線完成作業(yè)，怎么辦？這時(shí)可以通過調(diào)整邏輯門（和、或、非）來保證機(jī)器人的需求。除了金屬，ECVS 也會(huì)對(duì)纖維素、葡萄糖和氧含量作出反饋。

談及該研究的應(yīng)用，王敏表示目前并沒有實(shí)際應(yīng)用，下一步工作是應(yīng)用到商業(yè)的避障機(jī)器人。

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