纽约时报第一届STEM写作比赛获奖文章:蚁基微型机器人的殖民

体积虽小,力量却如歌利亚:蚁基微型机器人的殖民

想象一下,爬上一座摩天大楼——但要拖着一头大象。或者和其他五个人一起,举起埃菲尔铁塔和三座自由女神像。虽然这听起来像西西弗斯,但受蚂蚁启发的微型机器人已经完成了这些令人难以置信的壮举。这些例子只是蚁丘的一角。

随着蚂蚁继续前进,作为一个巨大的超级有机体占据了地球上几乎每一块陆地,研究人员越来越多地把蚂蚁作为仿生机器人的灵感来源。蚂蚁大军拥有理想的物理解剖和生物组织,可以在现实世界中改造微型机器人的能力——从领导搜救任务,到绘制地球和太空中以前未探索过的地形。

在基础层面上,简单的数学和物理支配着蚂蚁个体的巨大力量。根据平方立方定律,蚂蚁的表面积和体积之间有一个最佳比率:类似于强度和质量之间的比率。这使得蚂蚁能在每毫克体重下发挥更大的力量。蚂蚁的生理机能是另一项值得探索的资产。2014年,俄亥俄州立大学的研究人员在《生物力学杂志》上报道了蚂蚁颈部关节的惊人力量。通过测量将蚂蚁的身体和头部分离需要多大的离心力(和你在狂欢节上的“旋转木马”所感受到的力一样——当然,减去被斩首的部分),他们发现关节可以承受蚂蚁体重的3400到5000倍!

但它们的生物和社会协调能力才是真正让蚂蚁与众不同的地方。蚂蚁不仅能集中力量形成一个集体,而且还能通过一种叫做信息素的化学信号进行分散交流。这个千变万化的系统的功能类似于水中的涟漪链,它有效地允许即使在很远的距离内进行有凝聚力的团队合作。

当这些能力的组合应用于群体机器人时,结果令人印象深刻。斯坦福大学创造的微型拖船机器人就是一个例子。当一个六人小组——总共只有3.5盎司重——拉着一辆重达3900磅的汽车时,他们上了头条。同步机器人的动作,使每个机器人使用六条腿中的三条腿,就像现实生活中的蚂蚁合作一样,这使得这种行为成为可能。瑞士École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)和大阪大学发明的Tribots就是另一个例子。Tribots基于陷阱颚蚂蚁,分工与领导是Tribots的核心组成。因此,如果一个机器人失败,“容错”系统意味着任务的成功不会受到不利影响。MicroTug和Tribot机器人在紧急救援、探索和导航任务中都有巨大的潜力。

“就像昆虫一样,小型机器人也可以很强大,”EPFL首席研究员杰米·白(Jamie Paik)说,这呼应了研究界越来越多的观点。考虑到微型机器人尚未开发的蚂蚁能力的广度,用不了多久就会有更多的机器人女王出现在这个领域。

Works Cited

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“Ant Factoids.” Arizona State University.

Gorder, Pam Frost. “Study of Ants’ Remarkable Strength May Lead to Powerful Micro-Sized Robots.” The Ohio State University, 13 Feb. 2014.

Gordon, Deborah M. “Local Links Run the World.” Aeon, 1 Feb. 2018.

Hernandez, Daisy. “Robotic Ants Function Just Like Real Ones.” Popular Mechanics, 15 July 2019.

Johnson, George. “Of Mice and Elephants: A Matter of Scale.” 12 Jan. 1999.

Koenig, Sven. “Tutorial on Ant Robotics.” Sven Koenig.

Markoff, John. “Modeled After Ants, Teams of Tiny Robots Can Move 2-Ton Car.” The New York Times, 13 March 2016.

“Microtugs.” Stanford Biomimetics and Dexterous Manipulation Lab, 28 April 2016.

Stevens, Allison Pearce. “Tiny Microrobots Team up and Move Full-Size Car.” ScienceNews for Students, 19 April 2016.

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