迷信家研发辨认能量源的传感器，可助机器人在高动力区域”寻食”

在机器人及智能材料范畴，经典控制系统会面对一些无法处理的场景，而无电脑控制系统 —— 可以靠经过感知周围环境要素而自行决策行进道路的控制系统，因此可以代替经典控制系统，从而处理经典控制系统无法处理的成绩。


虽然在诸如微游泳器和活性胶体中，曾经运用了无电脑控制自主决策功能，但目前已运用无电脑控制的系统都有一个共同点：只能在周围是可充电液体的环境中运用。


目前，还没有可以在干燥环境中经过靠周围环境的化学物质来为本人提供足够动力并停止移动和操纵的大型机器人和车辆设备。


本文引见的这项工作则经过运用环境控制电压源（ECVS，environmentally controlled voltage source）打破了干燥环境这一限制，相关论文的第一作者是王敏。论文以《运用电趋化性的无计算机自动导航和发电》（Computer-Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro-Chemotaxis）为题，于近日发表在 Advanced Intelligent Systems 上。

图 | 车辆避开风险（来源：受访者）

在论文中，他表示当车辆上的电动机与 ECVS 相连时，ECVS 可以给车辆充电，并经过无电脑控制自主决策功能为车辆导航，将车辆带到附近的化学燃料充电站或远离周围的风险要素。


此外，ECVS 应用化学燃料经过电化学方法停止充电，并且可以避免车辆输入电压降低或电化学动力学方面的风险。

图 | 自主导航（来源：受访者）

研讨中，王敏还将两个 ECVS 串联或并联布置，从而可以根据 ECVS 周围接触的化学物质来执行不同的逻辑功能。这项工作提出的在干燥状况下停止无电脑控制的新方法，即经过电化学来根据周围环境中的各种化学场停止相应的呼应，从而可以在不运用计算机的状况下为车辆和机器人提供动力并停止导航。


王敏说，毫米和厘米大小的机器人必须由小的电源来驱动其传感器、微控制器等，使其完成各种义务。但是，电池容量与材料的分量成反比，所以微电池的能量有限。


例如，最好的商用微电池只能为昆虫大小的匍匐机器人提供大约 1 分钟的动力。因此，需求一种全新的动力系统来克制这一应战。本次工作中提出的 ECVS 克制了这一应战，它从环境中（金属和氧气）提取能量，就像一个能量采集器，从而减少了机器人小车的分量。

图 | ECVS 的功能（来源：受访者）

机器人为了完成避障会引入红外或超声安装，但都易受周围环境的影响（光线、温度），ECVS 还可以协助机器人在不借助电子控制系统的条件下，自主完成避障导航。


此外，机器人可以像细胞生物一样，可以自在自主 “寻食” 和避险，而无需外部供能。这里的 “寻食” 指的是，让机器人具有自主寻觅环境中可应用动力的才能。


当机器人电量不足时，需求及时到充电站补充电能继续工作。ECVS 相似于一个传感安装，可以协助机器人发现周围环境中的金属源（例如易拉罐）并从中获取电能，假如遇到无能量物体，会自动避开。


简单来说，ECVS 是一个可以辨认能量源并同时提取能量的传感器，协助机器人趋向高动力区域” 寻食”。

图 | ECVS 的逻辑门（来源：受访者）

其中，ECVS 的详细研发过程如下，在没有外力的干涉下，单个 ECVS 只能驱使机器人小车在金属板上沿直线运动，当遇到无金属区域，会中止行进。概括来说，这些工作的初衷是为了保证机器人小车可以避开无能量区域继续运动。


研讨中，王敏先设计出多个机器人小车的三维模型，再 3D 打印出来。测试了大概 10 个模型，才最终确定。经过计算马达的工作功率，确定了 ECVS 的尺寸。


这一步比较费工夫，由于需求设计出可以波动协同工作的一切配件，探索中寻觅一个平衡点。之后的工作相对顺利，机器人小车按照预期完成了一切的功能，全体工作在半年内完成。


另据悉，ECVS 可有效弥合外部储能或外部搜集两种技术的缺陷，为移动机器人持续供能。其中，ECVS 的结构很简单，在铂碳下面粘上聚丙烯酰胺水凝胶，这是一种可以储存电解液和完成离子传导的半固体物质。


日常可见的金属中储存着大量的电能，当 ECVS 接触金属（铝、铜、镁和铁等）时，会组成金属空气电池体系，输入一定的电压，从而判别出高能量、低能量和无能量区，在搜集能量的同时完成自主导航，向相对高能量区运动。


当然这都需求多个 ECVS 组合完成，可以根据需求，调整 ECVS 的数量、地位、衔接方式。当没有能量差时，机器人会保持直线运动。那么成绩来了，假如出现能量差，但机器人仍需求保持直线完成作业，怎样办？这时可以经过调整逻辑门（和、或、非）来保证机器人的需求。除了金属，ECVS 也会对纤维素、葡萄糖和氧含量作出反馈。


谈及该研讨的运用，王敏表示目前并没有实践运用，下一步工作是运用到商业的避障机器人。

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