機(jī)器人小尖兵——美國(guó)CRAM蟑螂型機(jī)器人

倪衛(wèi)濤

蟑螂是現(xiàn)代人心中難以抹滅的“恐懼”，因?yàn)樗鼈儾坏珟?lái)臟亂，也能以飛快的速度躲避、逃離，而令人生怵的是，你永遠(yuǎn)無(wú)法預(yù)料蟑螂能夠躲藏在什么地方……蟑螂的種種特性令人無(wú)以對(duì)付，但這些特性就是科學(xué)家與軍方所要尋求的，一款來(lái)自美國(guó)的如手掌大小的微型機(jī)器人正是受到蟑螂這種生物的啟發(fā)而研制的——

受到蟑螂啟發(fā)的

CRAM蟑螂型機(jī)器人

這款大小有如手掌、全名為可壓縮鉸接式機(jī)械（Compressible Robot with Articulated Mechanisms，CRAM）的蟑螂型機(jī)器人，是美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）的微縮自動(dòng)化系統(tǒng)暨科技（MAST）部門與加州柏克萊大學(xué)共同研發(fā)的最新科技產(chǎn)品。

根據(jù)柏克萊大學(xué)的賈亞拉姆博士以及富爾博士在2016年2月8日刊登在《國(guó)家科學(xué)院院刊》最新的研究報(bào)告指出，受到蟑螂外骨骼構(gòu)造的啟發(fā)，他們制造了一款能在狹窄地形，包括由自然災(zāi)害或爆炸造成的阻絕人員進(jìn)入的瓦礫堆中快速移動(dòng)的六足機(jī)器人。

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富爾博士并非要研發(fā)CRAM機(jī)器人才開(kāi)始研究蟑螂的，他與他的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中早已進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30年的實(shí)驗(yàn)，了解了各種動(dòng)物不同的運(yùn)動(dòng)方式，包括各種動(dòng)物的行走、跳躍、滑動(dòng)和爬行，并嘗試將從蟑螂、螃蟹甚至壁虎身上所發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式復(fù)制到機(jī)器人科技上。

而在所有生物上，最頑強(qiáng)的當(dāng)屬蟑螂了。早在25年前，富爾的研究團(tuán)隊(duì)就已發(fā)現(xiàn)美洲蟑螂可以僅靠2條腿移動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)速度也可達(dá)到60cm/s，等同每秒移動(dòng)過(guò)自身長(zhǎng)度50倍的距離，但最驚人的發(fā)現(xiàn)則是蟑螂擁有絕佳的狹窄空間移動(dòng)能力。

透過(guò)高速攝影記錄，賈亞拉姆博士發(fā)現(xiàn)蟑螂能夠自由地鉆進(jìn)4mm的窄縫且保有每秒15cm的移動(dòng)能力，甚至在高度刺激之后還可以強(qiáng)迫鉆過(guò)僅3mm的窄縫，且可以承受比自身重900倍的壓力仍毫發(fā)無(wú)損。

此外，研究亦發(fā)現(xiàn)蟑螂在處于擠壓狀態(tài)時(shí)雖然不能使用腿部移動(dòng)，但卻可以將足部往外延伸，用外肢上的棘刺抵著周圍物體的邊緣推進(jìn)，這也證實(shí)了蟑螂為了要在狹窄空間內(nèi)前進(jìn)而無(wú)法使用腿部時(shí)，會(huì)運(yùn)用身體不同部位達(dá)到移動(dòng)的目的。

在實(shí)驗(yàn)中，賈亞拉姆博士在天花板及地板的縫隙中塞上砂紙，以測(cè)試摩擦力對(duì)于蟑螂在窄縫中移動(dòng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蟑螂的平滑背部是關(guān)鍵，因?yàn)樵谕炔揩@得足夠摩擦力的同時(shí)，平滑的背部卻能在幾乎不產(chǎn)生摩擦力的情況下使蟑螂順利前進(jìn)。

在這樣的啟發(fā)之下，賈亞拉姆博士設(shè)計(jì)了這款構(gòu)造簡(jiǎn)單、僅有手掌大小的微型機(jī)器人CRAM——它同真的蟑螂一樣，具備了可壓潰的構(gòu)造，使得這款機(jī)器人能擁有模仿蟑螂富有彈性且在通過(guò)窄縫時(shí)降低阻力的特性。

目前的CRAM身長(zhǎng)18cm、高7.5cm，質(zhì)量46g，并且它在承受壓力或需要擠壓通過(guò)狹窄地區(qū)時(shí)，可以將高度擠壓50%（即3.5cm），還可以承受約1kg的重量，亦即20倍自身的重量，此外，其在正常狀況下可以每秒移動(dòng)27cm（身長(zhǎng)的1.5倍），而當(dāng)完全壓縮狀態(tài)（50%）時(shí)則降為每秒移動(dòng)14cm。

對(duì)此，富爾博士表示：“雖然目前CRAM還只是原型機(jī)而已，但它的成功表明設(shè)定為軟體機(jī)器人的發(fā)展方向是正確的選擇，因?yàn)槔ハx是地球上最成功的生物形態(tài)，而研究人員的目標(biāo)就是要把機(jī)器人的表現(xiàn)提升到昆蟲所達(dá)到的程度?！?h3>軟體科技提升

未來(lái)機(jī)器人的特性

除了研發(fā)能鉆進(jìn)狹小縫隙的CRAM機(jī)器人外，研究微型自動(dòng)化系統(tǒng)如何在復(fù)雜的立體環(huán)境中移動(dòng)與運(yùn)作，特別是在軟體的應(yīng)用方面，是非常有意義的。

例如，美國(guó)陸軍研究試驗(yàn)室的研究員凱森斯就負(fù)責(zé)研發(fā)CRAM的自動(dòng)導(dǎo)正能力，使機(jī)器人在傾倒后自動(dòng)恢復(fù)到能讓足、輪、履帶等部位接地的姿態(tài)，而這項(xiàng)研發(fā)也不止應(yīng)用于CRAM而已，真正的目標(biāo)是可以開(kāi)發(fā)出能運(yùn)用到各個(gè)層面的科技，包括現(xiàn)今以及未來(lái)的科技產(chǎn)品。

凱森斯說(shuō)：“我們所開(kāi)發(fā)的軟體科技能賦予機(jī)器人從傾覆狀態(tài)中回正的能力，同時(shí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)也研究了多種蟑螂的幾何學(xué)和自我回正的關(guān)聯(lián)性，并對(duì)擁有自我回正能力的CRAM做過(guò)多次試驗(yàn)。”

同時(shí)他也表示，研究團(tuán)隊(duì)希望更加了解如何將CRAM的自我回正能力的機(jī)械原理以及優(yōu)勢(shì)應(yīng)用在其他的機(jī)器人系統(tǒng)上，并成為在戰(zhàn)場(chǎng)上極有價(jià)值的資產(chǎn)。

事實(shí)上，士兵相當(dāng)吐槽現(xiàn)有的機(jī)器人在崎嶇且多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，時(shí)常遭遇翻覆而無(wú)法回正的窘境，進(jìn)而導(dǎo)致任務(wù)延遲甚至失去寶貴的機(jī)器人等問(wèn)題；且操作者缺乏機(jī)器人的環(huán)境視野，攝影機(jī)畫面也只著重于特定區(qū)域，因此在操作中相當(dāng)難得知機(jī)器人目前是否處于平穩(wěn)姿態(tài)。

凱森斯曾經(jīng)與一位操作機(jī)器人的士兵談過(guò)，士兵說(shuō)他的機(jī)器人在受困而無(wú)法自行脫困時(shí)，他必須下車并親自將機(jī)器人救出來(lái)，而這也是凱森斯與研發(fā)團(tuán)隊(duì)要避免的，畢竟機(jī)器人被創(chuàng)造的意義，并不在于人類需要冒險(xiǎn)拯救機(jī)器人，而在于避免人類陷入危險(xiǎn)。

低成本優(yōu)勢(shì)可使CRAM

大量拋撒

本次研究的機(jī)器人零部件提供者，是制造民間微型機(jī)器人玩具的Dash Robotics公司，而柏克萊大學(xué)亦有使用這家公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)（公司人員本身就是柏克萊大學(xué)的校友），事實(shí)上，CRAM所用的零部件可以視為該公司現(xiàn)有產(chǎn)品成熟的零部件，例如Kamigami機(jī)器蟲玩具的零部件就與CRAM所用的相當(dāng)類似。

Kamigami機(jī)器蟲的整體包含裝飾外殼、電子零部件、馬達(dá)、電池、螺栓等，且它除了能以平板電腦或智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)端遙控外，也可以對(duì)特定狀況做出簡(jiǎn)單的回應(yīng)，比如偵測(cè)到光源后傳送出信號(hào)，或者被碰撞后啟動(dòng)特殊回應(yīng)等（如快速逃竄或傳送信號(hào)）。

盡管CRAM的成本較Kamigami機(jī)器蟲高昂，但相較于現(xiàn)今的遙控機(jī)器人廉價(jià)許多，而這也使得未來(lái)若出現(xiàn)依照CRAM的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的機(jī)器人，因成本低廉，一線人員可大量拋撒這些微型機(jī)器人，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施更全面的探查。

帶給救災(zāi)與作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)用，不論在救災(zāi)或是作戰(zhàn)的層面上，一線人員必須先確認(rèn)目標(biāo)的位置（受難者、人質(zhì)、敵人），以及足以提供人員安全行進(jìn)的路徑（穩(wěn)固、無(wú)埋伏）后，才能確保任務(wù)的執(zhí)行效率，但這樣的事前偵察工作風(fēng)險(xiǎn)很高，因此最佳選擇就是派遣機(jī)器人替人類代勞。

另一方面，傳統(tǒng)的遙控機(jī)器人時(shí)常受限于接地系統(tǒng)和體積的構(gòu)造，而難以穿越震災(zāi)、風(fēng)災(zāi)甚至爆炸后產(chǎn)生的瓦礫堆，若強(qiáng)行通過(guò)非常容易卡住甚至導(dǎo)致無(wú)法自行脫困的翻覆狀態(tài)，且難以在敵人的耳目之下安全通過(guò)。

然而，尺寸僅有手掌大小的CRAM軟體機(jī)器人有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因其體積及彈性賦予它擁有鉆進(jìn)窄縫和孔洞中的能力，如蟑螂一般無(wú)孔不入，故可替人類發(fā)現(xiàn)重要的目標(biāo)，以便采取有效措施完成任務(wù)。

其另一大優(yōu)勢(shì)是，可以低廉的價(jià)格采購(gòu)更多數(shù)量的CRAM，而非現(xiàn)今的無(wú)人機(jī)或遙控機(jī)器人的高價(jià)位取向。此外，電子科技的進(jìn)步也使得操縱機(jī)器人不再需要特別的遙控器，而是可以透過(guò)在平板電腦或智能手機(jī)中裝設(shè)APP，并已WIFI連接即可實(shí)施操作。

盡管目前的CRAM仍只是一個(gè)初步的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，且還無(wú)法裝設(shè)具有實(shí)際價(jià)值的感測(cè)器（比如攝影機(jī)、生命探測(cè)器等），但科學(xué)家們已經(jīng)嘗試將CRAM的后續(xù)版本做得更為強(qiáng)大，在機(jī)動(dòng)性上更接近實(shí)際的昆蟲，而在載重上也將逐漸能負(fù)荷一線人員必要的偵測(cè)設(shè)備。