美國(guó)的農(nóng)業(yè)部門面臨前所未有的危機(jī)。原生蜜蜂是動(dòng)物王國(guó)中最多產(chǎn)的傳粉者之一，它以前所未有的速度從殖民地崩潰癥(CCD)中消失， 并威脅著價(jià)值約150億美元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的支持下，RoboBees項(xiàng)目旨在通過可以模仿蜜蜂授粉作用的新型微型機(jī)來最大限度地減少這一關(guān)鍵資源的流失。但是，在這些機(jī)器人能夠飛向天空之前，該項(xiàng)目需要克服許多挑戰(zhàn)。

RoboBee是一款受蜜蜂生物學(xué)啟發(fā)的微型機(jī)器人。在一次非凡的仿生展示中，科學(xué)家開發(fā)出了一種能夠飛行的機(jī)器人，其尺寸僅為回形針的一半 ，重量只有十分之一克。

“這是一個(gè)概念證明 - 沒有什么可比的。日本筑波國(guó)立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)研究所的化學(xué)家Eijiro Miyako在“ 科學(xué)美國(guó)人 ”雜志上發(fā)表的一篇文章中說，這是一次完全首次的演示。

RoboBees項(xiàng)目突破了各個(gè)領(lǐng)域的研究范圍，從微制造到能量存儲(chǔ)，甚至是通過群控制機(jī)器人的計(jì)算機(jī)算法。

受控飛行

2012年，哈佛科學(xué)家展示了昆蟲級(jí)機(jī)器人的首次可控飛行，預(yù)示著這些原型機(jī)器人的第一次重大突破和概念驗(yàn)證。RoboBee使用壓電致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)飛行，壓電致動(dòng)器是在提供電流時(shí)膨脹和收縮的小條陶瓷材料，模仿肌肉組織。機(jī)翼獨(dú)立運(yùn)行，允許控制飛行 - 對(duì)于重量小于實(shí)際蜜蜂的機(jī)器人來說，這是一項(xiàng)奇跡般的成就。

制造業(yè)的突破

RoboBee的重量和尺寸成就歸功于采用“彈出式微電子機(jī)械(MEM)技術(shù)”的新型微型制造方法。彈出式MEM可為RoboBees提供前所未有的規(guī)模，并為進(jìn)一步開發(fā)打開了大門。

近期發(fā)展

哈佛的最新一代RoboBees正在掀起波瀾。下一代RoboBee的最大突破是在2015年宣布的，當(dāng)時(shí)開發(fā)了允許小型機(jī)器人在水下游泳的新算法。這些算法允許科學(xué)家以新的方式控制RoboBees的翅膀并引導(dǎo)微型機(jī)器人通過水。在這里，科學(xué)家們?cè)谟^察海豚在潛水過程中用翅膀在水中航行的方式后再次從大自然借來。

科學(xué)家們也在尋求克服能源使用的挑戰(zhàn)，這是RoboBees發(fā)展的最大障礙。在 2016年5月發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上的一篇文章 中，科學(xué)家們描述了一種新的節(jié)能方法，它可以通過更強(qiáng)大，更高效的機(jī)翼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，使RoboBee能夠承受更多的重量。

來自哈佛大學(xué)和其他頂尖大學(xué)的這些科學(xué)家研究了大多數(shù)鳥類和昆蟲的棲息行為，為RoboBees提供下一次升級(jí)：小泡沫帽。帽子位于微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)的頂部，提供靜電粘附平臺(tái)，使RoboBees幾乎可以在任何表面上棲息以節(jié)省能量。泡沫帽增加了幾克重量，但它們?cè)试SRoboBee在飛行中“休息”，大大增加了它的潛在運(yùn)行時(shí)間。

“許多不同的動(dòng)物都使用棲息來節(jié)約能量，但是它們用于棲息的方法，如粘性粘合劑或用爪子鎖定，不適合用于回形針尺寸的微型機(jī)器人，”Kevin Ma說道，他正在做他的博士后工作。哈佛大學(xué)John Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和Wyss研究所的合著者和該論文合著。

仿生學(xué)再次為機(jī)器人的巧妙，低功率棲息能力提供了靈感，哈佛在葉子表面展示了這種能力。在棲息時(shí)，RoboBee使用懸停時(shí)使用的1/1000的功率。

接下來的重要步驟

雖然最近蜜蜂種群數(shù)量有所增加，但疾病，殺蟲劑和CCD仍然讓科學(xué)家們比以往更加努力地將RoboBee從概念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在自己的力量下操作并作為蜂巢進(jìn)行通信的能力仍然是微型機(jī)器人的兩大障礙。

板載電池系統(tǒng)

直到現(xiàn)在，RoboBees一直使用微電線操作，將電能傳遞給蜜蜂的肌肉。過渡到車載電池需要更大的重量和更小的電源。兩者目前都在開發(fā)中，馬云希望突破即將來臨。

“一旦機(jī)器人可以自己保持高空，我們就會(huì)做一些事情，比如允許它執(zhí)行任務(wù)，增加電池壽命，讓它飛得更快，”Ma告訴 VentureBeat。

無線通信

在蜂箱中，蜜蜂使用復(fù)雜的“舞蹈”來指示潛在的花蜜來源的方向和距離。伴隨著信息素的釋放和花朵本身的氣味，蜜蜂能夠?qū)我换ǚN進(jìn)行超聚焦，收獲花蜜，同時(shí)為它們攔截的每朵花授粉。

在過去幾年中，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)已經(jīng)連接了越來越多的設(shè)備，允許它們?cè)跊]有持續(xù)的人為輸入的情況下進(jìn)行交互。雖然很難說物聯(lián)網(wǎng)是否會(huì)幫助RoboBees在未來幾年內(nèi)協(xié)同工作，但類似的蜂巢能力對(duì)于他們的發(fā)展至關(guān)重要，并代表了哈佛團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)重大任務(wù)。

雖然單個(gè)機(jī)器人的效果可能微乎其微，但數(shù)百，數(shù)千或數(shù)百萬RoboBees的協(xié)調(diào)組可以執(zhí)行許多前所未有的任務(wù)。除了用于農(nóng)業(yè)目的的授粉植物之外，RoboBees還可以協(xié)調(diào)數(shù)字地圖地形，監(jiān)測(cè)天氣狀況，甚至通過數(shù)據(jù)收集協(xié)助災(zāi)后的救援工作。雖然RoboBees只是作為蜜蜂損失的權(quán)宜之計(jì)，但該技術(shù)的潛在應(yīng)用讓世界為下一次突破而屏住呼吸。