人造蜜蜂嗡嗡飞

李和昌

十年磨一剑

2013年5月，研制10年的机器蜜蜂首次实现了遥控飞行。未来机器蜜蜂可应用于搜索、营救、监测和环境监控等，甚至还能像真实的蜜蜂一样对农作物进行授粉呢。

自2003年，美国哈佛大学就开始研制设计机器蜜蜂。2007年首次研制成了实物大小的机器苍蝇。而要达成蜜蜂的自治飞行，需要更紧凑的高效能源，以及能无缝整合到机器蜜蜂体内的电子部件。机器蜜蜂设计受益于飞行生物学的灵感，它具有极薄的翅膀和压电致动器制造的飞行“肌肉”，当应用一个电场时陶瓷条可以膨胀和收缩。每个翅膀都安装在细长碳纤维体顶部，像真实的昆虫一样，它们的翅膀能够独立活动，拍打时自由旋转。

机器蜜蜂重约80毫克，具有一对类似苍蝇的翅膀，每秒可拍打120次，是飞行昆虫的首个实用模型。在测试中通过一根连线与机器蜜蜂连接，控制它的起飞、空中盘旋和改变方向。拍打翅膀形成的向下气流可使机器蜜蜂在空中盘旋，通过倾斜身体而实现向前或向后飞行。

机器如何飞

但是设计最初，存在的一个重大问题是如何为翅膀提供动力，体型较大的机器人采用电磁发动机，体型较小的则需要考虑其他方案。过去几十年，人们对小型机器人的研究十分有限，因为机器蜜蜂很小，在这样的尺度下，占主导的是摩擦等表面作用力，而不是与质量相关的重力和惯性。由于体型的限制，传统工具都无法使用，包括旋转轴承、齿轮和电磁发动机组件——这些在大型机器人中随处可见的组件，在机器蜜蜂身上效率太低。

除了快速旋转的发动机和齿轮，研究人员还模仿飞行类昆虫，为机器蜜蜂设计了一个飞行结构——由人造肌肉提供动力，使翅膀可以拍动。机器蜜蜂的肌肉系统用独立的“肌肉”来提供动力，控制飞行。较大功率的驱动器用来驱动翅膀拍动，而较小功率的驱动器用来微调翅膀运动，产生转矩，控制和操纵飞行。这两个驱动器都设在翅膀与身体的连接处。

人造肌肉由压电材料构成，当向压电材料施加电压时，压电材料就会收缩。虽然这样的驱动器还存在诸如易碎、需要较高的电压等一些缺点，但从物理上来说，尺寸较小对研究人员也有好处。驱动器越小，运动速度越快。由于驱动器在每个运动周期完成的做功量是恒定的，所以翅膀拍打得越快，输出的功率就越大。事实上，人造肌肉的功率，与同体积的昆虫肌肉相当。

关节很重要

过去几年，研究人员已经试用了数十种不同的驱动器和关节。他们的目的是想找到一种最简单可行的制作方案，因为要制造成千上万的机器蜜蜂，驱动器和关节这样的组件必须大规模生产。

目前，研究人员用一种硬质材料如碳纤维层作为顶层和底层，类似一个三层的三明治结构，中间夹着柔软的聚合物，以此构建每个机器蜜蜂。碳纤维层中间的聚合物是可以弯曲的，这样就可以制备出—个柔性关节。这种方法的美妙之处在于，适合高效的流水线生产。首先，研究人员用紫外线激光精确地切割碳纤维层；接着，将各层对齐，用黏合剂压在一起；然后，从基板中取出每个组件；最后，他们从儿童立体书中得到灵感，设计出最后一步：只用—个动作，就可以在二维表面弹出3D结构。

供能受限制

研究人员在建造蜜蜂大小的机器人方面已经取得了很大的进展，但仍然存在悬而未决的问题，怎样为这么小的机器人供能。为了供能问题，机器蜜蜂的身体大部分都得由主驱动器和动力装置占据。想想电池吧，尽管研究人员也在研制固体氧化物微型燃料电池。供能也是一个两难的问题：供能元件越大，提供的能量当然也越多，但这样一来，机器蜜蜂的重量就会增加，需要更大的推进系统来抵消增加的重量，最后又得寻找更大的供能元件。

在飞行状态下机器蜜蜂使用19毫瓦电流，相当于多数昆虫的能量消耗。考虑到电池的能量密度和身体各部件的能量利用率，研究人员最乐观的估计是，这只机器蜜蜂只能飞行几十秒钟。为了延长飞行时间，研究人员尽量减小蜜蜂的重量，并使各部件的效率最大化。

虽然研究人员还未制造出可以自己供能飞行的机器蜜蜂，但已经可以让一只100毫克的机器蜜蜂，产生足够的推力起飞。他们把它系在一个外接电源上。借助主动和被动机构，这只机器蜜蜂可以自己保持稳定。

学习大自然

电源不是唯一的问题。机器蜜蜂的“大脑”是另一个难题。在野外，机器蜜蜂必须不断根据环境，确定最好的行动方式，并自己控制飞行机制。实验室里，研究人员还可以借助外部电子设备，制定一个临时的解决方案，但真正进入工作状态，机器蜜蜂只能依靠自己的“大脑”。

如果要达到较高的水平，机器蜜蜂的“大脑”不仅需要自身的行动，还得与其他机器蜜蜂互动。研究人员打算给机器蜜蜂设计一个多层次的“大脑”：传感器负责感知环境因素，电子神经系统负责基本的控制功能，而一个可编程的电子大脑皮层负责做出高层次的决策。作为第一步，首先要设计一个简要版的大脑系统，让机器蜜蜂实现自主飞行。这也是一个挑战，需要严格控制由传感器、信号处理器和身体各部位组成的回路。

为了弄清楚该使用什么样的传感器，以及如何构建大脑的电路结构，研究人员再次将目光投向了大自然。蜜蜂感知世界时，使用了两类传感器：本体感受器会让蜜蜂知道自己飞行时身体处于何种状态——翅膀的拍打速度、身体的体能状况；外部传感器则提供外部世界的信息。

现代技术提供了GPS、加速计和多轴陀螺仪，但这些传感器要么太重，要么会能耗太多，或者又重又耗能，根本没法用在机器蜜蜂上。因此，研究人员正在研究一种电子视觉系统，与天然蜜蜂的视觉系统类似，可以分析“光流”，也就是在一个视觉传感器的“视野”中，明显的物体运动。想象一下，当你乘坐汽车时，看到的窗外景物是怎样的：车窗附近的物体移动速度快，而远处的物体移动缓慢。如果一个视觉系统可以做到这一点，它就能展现某一环境的详细三维场景。即使它只配备有一个小小的、简单的图像传感器。

问题难取舍

研究人员面临的一个重要问题是怎么取舍。例如，他们希望有一个高分辨率的摄像头，但高像素意味着更大的图像传感器，而且需要额外的计算能力来处理图像。那么，如何取舍才是最合适的？

为了回答这类问题，研究人员已经开发出一种特殊的风洞实验室。他们把机器蜜蜂的身体，安装在一个固定的多轴向力和扭矩传感器上，让它扇动翅膀，模拟飞行；将蜜蜂飞经的物理环境的图像，投影在风洞实验室的墙壁上。通过这种方式，可以探索视觉系统、大脑和身体如何协调合作，从而更好地控制机器蜜蜂的飞行。

另外，机器蜜蜂的大脑还得有足够的能力，处理图像传感器传来的数据流，做出适当的决策，驱动身体里的驱动器。同样，那些现成的先进设备还是没法用于机器蜜蜂。因此，研究人员一直在开发一类新的计算机架构，用于构建机器蜜蜂的大脑，把通用计算与专用硬件加速器结合起来。与普通家用电脑中可以做任何事情的通用处理器不同，硬件加速器这种经过精细设计的电路模块只能做一件事情，但可以做得很好。这样，即便在严格的功耗限制之下，也可以使用硬件加速器来快速并实时地进行稳定飞行所需要的计算。

前途无极限

当然，飞行控制仅仅是个开始。同时，还要开发其他一些传感器，让机器蜜蜂完成某些特殊任务，比如去搜寻埋在地震废墟中的幸存者。事实上，小巧灵活、简单价廉的机器人，能比一些专业人员更有效地完成任务。例如，营救人员可以带上一个重量不足1千克、装有1 000只机器蜜蜂的盒子，在遭受自然灾害的野外，放飞这些机器蜜蜂，根据伤者的热量、声音、呼出的二氧化碳来搜寻、营救伤者。如果只有3只机器蜜蜂完成任务，其他蜜蜂都失败了，对于整个蜂群来说，仍然是取得了成功。

虽然研究人员已经取得了很大的进步，但要做的工作还有许多。他们预计，几年之内，机器蜜蜂将能在严格控制的实验条件下飞行。10年以后，它们将被广泛使用。