近日，法國和美國科學家聯合在機器人領域著名期刊Science Robotics上發表了一篇題為《從獨立和無意識機器人集群到定向移動靈活超結構機器人》（ From collections of independent, mindless robots to flexible, mobile, and directional superstructures ）。論文研究表明，該研究團隊通過棒狀的單體機器人和柔性支架組合成為一種超結構新型機器人，該機器人可以根據不同的地形從而使得自身變形，從而實現越障和運輸，可以代替單體機器人實現一些復雜的任務。

單體和超結構機器人的組成

不同于化學中的超結構含義，該研究里提到的超結構指的是基于機器人集群的新型復合結構。橢圓形狀的單體機器人的尺寸為 4.5 cm * 1.5 mm，在研究當中，研究人員利用偏轉運動產生這種機器人的定向移動。而為了產生偏轉運動，單體機器人的軟體驅動足設計成了非對稱結構，而且嵌入帶有電源模塊的偏心質量電機以實現驅動。因此，機器人的運動速度通過可以調整驅動頻率和電壓來進行控制。同時，由于嵌入了光敏粒子，可以通過控制光來控制單體機器人，從而控制超結構機器人的定點移動。

超結構機器人則是由若干個單體機器人和柔性支架組成，通過產生循環振動來產生定向運動。這樣一來，超結構機器人的運動能力就取決于單體機器人的輸出特性。由于支架的空間靈活性，超結構機器人可以變形并穿過狹窄的空間和實現越障，賦予了該類機器人的空間探索能力。

圖 1 | 利用光控制的單體機器人集群到超結構機器人（ 來源：Science Robotics）

為了探索其運動性能，研究人員對這種超結構機器人在對復雜幾何形狀空間的探索進行了研究，分別完成負載、越障、清障等任務。在實驗中，為了追蹤這些單體機器人的運動軌跡和獲取相關運動數據，研究人員把單體機器人涂成了黑色，便于觀察。

超結構機器人在直通道中的運動

在多個單體機器人開始偏心旋轉運動具體在一起，在一定時間后，這種偏轉運動轉化為超結構機器人才開始運動，實現簡單的直線運動：

動圖1 | 超結構機器人在直通道中的直線運動（ 來源：Science Robotics）

而且在橢圓型通道中，超結構機器人可以適應地形以進行拐彎：

動圖 2 | 超結構機器人在直通道可以適應地形運動（ 來源：Science Robotics）

圖 2 | 超結構機器人在直通道中的運動能力（ 來源：Science Robotics）

超結構機器人穿越不同寬度通道

實際情況下的地形是十分復雜的，越障能力的提高對于進行空間探索機器人的發展至關重要。因此，研究人員研究了超結構機器人在越障時的能力，而能力評價標準之一是越障時所花的時間。

動圖3 | 超結構機器人穿越狹隘地形（ 來源：Science Robotics）

此外，研究人員對比了實驗和仿真下的超結構機器人在不同寬度通道下的運動能力：

圖 3 | 仿真和實驗環境下的超結構機器人越障能力對比（ 來源：Science Robotics）

不僅可以實現自身的運動，超結構機器人還可以通過單體機器人的運動來實現負載（ carrying load ），而且這種超結構機器人的負載能力可以達到其自身重量的一半：

動圖 4 | 超結構機器人負載進行運動（ 來源：Science Robotics ）

而且還可以負載的同時，由于自身結構的優越性，輕松實現越障：

動圖 5 | 超結構機器人負載同時實現越障（ 來源：Science Robotics）

圖 5 | 超結構機器人負載穿過圓柱體（障礙）（ 來源：Science Robotics）

單體機器人和超結構機器人的應用

當路面上存在障礙物（空心圓柱體）時，機器人還可以實現對路面進行清理。研究人員對比了兩種類型的機器人在清障效果。

動圖 6 | 單體機器人清障（ 來源：Science Robotics）

可以發現單體機器人的清障能力有限，而裝載了 20 個單體機器人超結構機器人在不到 40 秒的時間里把空圓柱推出場地，實現高效率的路面清障：

動圖 7 | 多體機器人對路面進行高效率清障（ 來源：Science Robotics）

可實現光控驅動的超結構機器人

當沒有光線時，超結構機器人處于靜止狀態。當燈打開 10 秒后，由于單體機器人嵌入了光敏粒子，光照射到光電晶體管上時，機器人的電機被驅動，從而驅動組會產生順時針方向的偏轉運動，機器人之間發生碰撞，形成一個移動集群，最終實現超結構機器人的驅動：

動圖 8 | 光線控制機器人進行運動（ 來源：Science Robotics）

同樣，光線控制下的超結構機器人也可以實現越障和用于清障：

圖 6 | 光線控制下的超結構機器人用于清潔場地和越障（ 來源：Science Robotics）

該團隊對超結構機器人進行了研究，包括對機器人進行負載穿過障礙或清理場地。還提出了使用光對超結構機器人進行基本控制。發現可以通過使用結構簡單，價格便宜的單體機器人能夠制造出具有空間探索特性的靈活的超結構機器人，為未來機器人清理障礙物，通過收縮通道等難題提供了一定的研究價值。

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