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会玩!电化学让无电池、无程序控制的小车自主运动、趋利避害

会玩!电化学让无电池、无程序控制的小车自主运动、趋利避害

「趋利避害」,天性所为

趋利避害是众生物的天性。

譬如蚂蚁,它们会朝着食物前进,但路途上会尽力绕过危险区域,躲避捕食者。这些都是完全自发的行为。

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(蚂蚁的趋利避害行为。图源:Adv. Intell. Syst.

但人类设计的机器人就没有那么智能了。它们的行动需要缜密的决策算法来控制。如果没有设计风险规避程序,有可能发生“自我毁灭的惨剧”。

望着来去匆匆的蚂蚁,我们思索如何才能让人造机器人拥有生物的自主趋利避害的行为。

这边是当下机器人和人工智能领域的前沿研究方向之一——模仿并获得类似生物体的能力。

当下进展

我们有没有可以自主运动的机器人呢?答案是有的。

只是它们多是微型机器人,且只能在液体中才能自主运动。

这是因为这些微型机器人需要利用周围液体环境中的能量来驱动自己。因此,这些微器件难以在非液体环境中实现自主导航。

再加之这些机器人往往需要携带电池为自身供给电能,受限于现在电池的容量、重量、体积等因素,机器人无法迅速地从环境中获取能量,不能及时「趋利避害」。

材料科学的实力

令人振奋的消息是,无需携带电池,能在空气中活动,做到及时、自主「趋利避害」的机器人已经出现了

美国宾夕法尼亚大学James Pikul教授课题组利用电化学技术研发出一种「高能趋向」的环境控制传感器。利用这种传感器,通过精巧的机械设计,作者们制造出一种能够自主导航运动的机器小车。

这种小车不靠电池,不靠计算机程序导航,靠的仅是一套环境控制传感器。

这项研究已发表于Wiley出版社发行的Advanced Intelligent Systems期刊上。

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环境控制传感器

实现自主「趋利避害」小车的核心元件是环境控制传感器

听着名字挺酷炫,其实原理不深奥。

归根结底,这传感器就是空气电池的一部分。

传感器基底是一张铂碳纸,上面涂布上聚丙烯酰胺水凝胶,一种能够导电的半固体物质。

当传感器上的水凝胶接触到金属时,铂碳纸周围的氧气与被接触的金属通过水凝胶连接,构建起了一个原电池,产生电能(电压)。这种原电池就是当下很热门的金属-空气电池。

空气中的氧气在铂碳纸上发生还原反应是产生电能的过程之一,因而小车无需携带充满电的电池,可直接从空气中摄取能量。

通过电路连接与机械设计,让这种金属-空气电池驱动小车的轮子,就能实现小车的运动了。

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(小车底板电路。图中标注Hydrogel的就是核心元件环境控制传感器的功能部件之一。图源:Adv. Intell. Syst.

接触的金属不同,所产生的电池电压不同,车轮的转速便会改变。

如果接触面不导电,或者化学惰性,接触面-水凝胶-铂碳纸就无法形成原电池系统,车轮便无法转动了。

下图所示为驱动小车左右车轮的传感器电压随时间的变化关系。控制小车右轮的传感器凝胶始终接触金属铝,电压稳定。而控制左轮的传感器凝胶在约15-23秒间触碰到了不导电的聚酰亚胺膜,电压发生了骤降。当凝胶再次接触到金属铝后,电压回升至初始水平。

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(左右车轮获得的电压与时间关系图。控制左轮的传感器凝胶接触到不导电的聚酰亚胺膜而发生电压骤降。图源:Adv. Intell. Syst.

接触面与电压的这种关联变化关系是小车及时、自主「趋利避害」的核心。

自发行动的小车

下面我们要“开车”了,请系好安全带……

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作者们首先测试了小车在铝金属与聚酰亚胺胶带组成的曲线赛道上的行驶能力。铝金属能为小车提供电压,但聚酰亚胺不行。

在铝板上时,控制左右轮的传感器均接触铝,给两轮提供相同的动力,小车直线运动。

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(小车遇到聚酰亚胺膜后行驶方向发生偏转。绿色为正常行驶状态,红色为减速或停止状态。注意右侧传感器控制左轮,而左侧传感器控制右轮。图源:Adv. Intell. Syst.

当右侧传感器接触到聚酰亚胺胶带时,此时铝-空气电池化学反应被阻断,受右侧传感器控制的左车轮减速甚至完全停止。

与此同时,因为左侧的传感器始终与铝金属表面保持接触,受左侧传感器控制的右车轮正常运转。

左轮减速,右轮正常,净结果是——车向左转。

车向左转后,右侧传感器重新接触到铝,产生电压,与之相连的左车轮开始转动。直到两轮转速相同后,小车完成左转,再次直线行驶。

因此,小车具有自发避开低能量或无能量区域,而重新驶回高能量轨道上的能力。

不仅是聚酰亚胺和铝金属,小车同样能够避开产电压低的金属铜区域和离子导电性更差的甘油滩而回到铝赛道上来。

(小车绕开铜片低能量区域。来源:Adv. Intell. Syst.

(小车绕开甘油滩低能量区域。来源:Adv. Intell. Syst.

总结而言,小车具有主动选择高能量路径以及避开无能量和低能量区域的能力,真正做到了「趋利避害」

更有意思的是,将多个传感器组合可以构建与、或、非门逻辑门。这些逻辑门能让小车在面对复杂的环境时,做出多样而精准的反应。

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(自主「趋利避害」的小车。图源:Adv. Intell. syst.

未来应用

本工作展示的环境控制传感器可以方便地集成到毫米至厘米尺寸的智能机器人上,从而自动控制机器人对环境刺激的响应或延长其作业时间。

另外,金属-空气电池可在未来被扩展到其他电化学燃料电池,如葡萄糖或乙醇,这样机器人就可以对多种化学环境做出响应,并表现出仿生行为。

写到这里,笔者突然想去温故曾经的热血动漫《四驱兄弟》了……

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原文链接:

https://doi.org/10.1002/aisy.202000255

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