自主機器人，《Nature》綜述！

自主機器人(Autonomous robots)，包括由材料和結構構建的驅動、能量、感覺和控制系統，這些材料和結構不一定是為多功能而設計和集成的。然而，由機器人努力模仿的動物和其他生物，在所有組織層面都包含高度復雜和相互關聯的系統，這些系統能夠同時執行多種功能。

近日，康奈爾大學Robert F. Shepherd等人將研究自然中的系統集成和多功能性如何激發自主機器人的新范式，即所謂的“具身能源(Embodied Energy)”。大多數不受束縛的機器人使用電池來儲存能量并為其操作提供動力，而最近能源儲存技術的進步使得化學或電力能源可以直接嵌入用于制造機器人的結構和材料中，而不需要單獨的電池組。綜述主要強調了在自主機器人發展的背景下出現的具身能源的研究進展，以“Towards enduring autonomous robots via embodied energy”為題發表在最新一期的《Nature》。

圖1. 現代機器人中的能量、控制和驅動系統

在過去的二十年里，通過開發多功能、具身能源系統來提高機器自動化的努力雖小，但在不斷增長。然而，大多數機器人仍然包含獨立的動力、驅動、感覺和控制模塊，每個模塊都針對單個任務進行了優化(圖1)。例如，在本田公司的ASIMO機器人中，關節中的驅動器、軀干中的控制模塊和背包中的電池之間有明顯的區分，這種孤立的模塊之間缺乏協同作用和效率，在活體生物(例如圖中的章魚)中可以觀察到這種協同作用和效率，而活體生物可以連續或根據需要采集、儲存和發電。通過在多功能系統配置中分配能源，如圖1中創新機器人的進展及其相應的框圖所示，可以擴大其復雜功能的范圍，同時提高其運行效率。

圖2. 能量儲存和轉換形成具身能源設計過程的框架

能量的儲存和轉換

具身能源設計的一個重要方面就是如何在整個機器人系統中準確地收集、儲存、應用和回收這些能量。大多數無約束機器人的設計都是基于尺寸、重量和功率之間的簡單權衡。然而，通過拓寬材料或子系統的功能范圍，并在它們之間分配大量預算，可以顛覆傳統的能源預算和設計方法。動力、傳感、計算和控制將在很大程度上依賴于機械系統。

圖2詳細說明了在設計具身能源時需要考慮的重要概念。這里舉例說明了幾個機器人具身能源系統，每個系統都代表了一種特定的能量存儲和轉換方法。雖然在機械系統中，能量儲存可以有多種形式，但作者在這里只描述了自主機器人可以利用的五種最常見的類型:電、機械、化學、磁和熱。在傳統系統中，這些類別有幾個是重疊的(例如，電化學電池或熱化學儲熱)，當合并不同的能量存儲和轉換技術時，可以利用這一特性。存儲能量的系統在效率，材料組成，甚至它們所接觸的物質狀態(例如，固態電池，液體氧化還原流電池和氣態氫燃料電池)方面都有很大的差異。同樣，能量轉換機制(例如，電磁馬達、內燃機和液壓活塞)的設計也非常復雜。

此外，作者介紹了現有的技術，這些技術可以將不同類型的存儲能量轉化為機器人的機械驅動。具體而言，這些技術分別是：

· 電到機械轉換(Electrical to mechanical transduction)

· 機械到機械轉換(Mechanical to mechanical transduction)

· 化學到機械的轉換(Chemical to mechanical transduction)

· 磁力到機械的轉換(Magnetic to mechanical transduction)

· 熱到機械的轉換(Thermal to mechanical transduction)

圖3. 具身儲能和能量換能器組合的多功能Ragone圖。