微型机器人借助“人工时空”克服了导航限制

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　微型机器人——尺寸小于一毫米的微型机器人——在各种应用中都非常有用，例如，靶向药物输送或微型制造，这些应用需要在远小于其他工具所能完成的微小尺度上完成任务。然而，设计这些机器人的研究人员和工程师在导航方面遇到了一些限制。发表在《自然》杂志上的一项新研究详细介绍了一种解决这些限制的新方案，并且结果令人鼓舞。尺寸太小，无法“智能”

　　微型机器人面临的最大问题是空间不足。它们微小的尺寸限制了用于板载计算、传感和驱动的组件的使用，使得传统的控制方法难以实现。因此，微型机器人无法像它们的“同类”那样“智能”。

　　研究人员已经尝试克服这一限制。具体来说，目前研究了两种方法。一种微型机器人控制方法是利用来自辅助系统的外部反馈，通常使用光镊或电磁场等技术。这种方法能够对少量微型机器人进行精确且灵活的控制，有利于执行复杂的多步骤任务或需要高精度的任务，但将其扩展到控制大量独立微型机器人则不太成功。

　　另一方面，一种被称为“反应式控制”的方法在控制大量微型机器人方面展现出了良好的前景。研究作者解释说：“他们不依赖持续的外部反馈，而是利用机器人自身的传感器输入，根据全局控制场立即调节机器人的动作。这种方法简洁高效，非常适合微型机器人，因为微型机器人由于尺寸小，通常缺乏复杂的传感或计算能力。”

　　“常见的例子包括：能够实现趋向运动的刺激响应型微型马达、通过吸引力和排斥力协调运动的人工势场，以及通过集体交互涌现行为的微型机器人集群。”

　　然而，迄今为止，反应式控制方法仅限于简单的行为。研究人员在诸如在结构化环境中导航或引导机器人从不同轨迹独立汇聚到目标位置等行为方面遇到了困难。

受广义相对论启发的解决方案

　　令人惊讶的是，研究人员发现机器人的运动在形式上与广义相对论中光的路径完全相同，这使得他们能够开发一个数学框架，将机器人的运动映射到由控制场定义的弯曲时空中的测地线——就像其他反应式控制方法一样。研究团队利用共形变换将复杂的环境映射到简单的虚拟空间，然后设计控制场并将其映射回来。他们将由此产生的几何框架称为“人工时空”。

　　利用人工时空，研究团队发现他们能够让机器人执行更复杂的任务。他们解释说：“首先，我们提出了一些指标，这些指标可以在无遮挡的环境中生成基本行为。这些行为包括导航到特定位置、限制、发散或以预定的方式转弯。然后，我们利用测地线运动在共形变换下的不变性，将这些结果扩展到有边界的空间。”

　　他们的方法成功地防止了机器人与墙壁的碰撞，并能发出导航、巡逻、转向或分散的指令，而无需机器人自身进行计算。他们利用硅微型机器人和投影光场，通过仿真和实验验证了该方法。实验机器人配备两个电机，每个电机都由硅光伏阵列构成，其移动

　　速度与入射光强度成正比。

未来的微型机器人

　　最终，这一新框架提供了一种可扩展的方法来控制大量简单的机器人，为医疗、环境修复和微制造等领域开辟了新的可能性。研究作者已经提到了改进当前模型的方法，该模型目前仅限于二维和特定类型的机器人。他们表示，“有几种很有前景的通用化途径”，例如，扩展指标以使其随时间变化。

　　他们表示：“沿着这条路线开展的研究可能旨在实现机器人间的碰撞规避，或者通过让单个机器人在到达特定时空位置时加速或减速，或者在彼此靠近时相互隐身，来实现空间的顺序探索。”

　　其他可能性包括拓展机器人硬件，甚至允许机器人生成自身的控制场，从而实现涌现式群体行为。 （航柯）