欢迎来到机器人动物园!

这些美丽的发明,是工程师为制造性能更优越、能耗更低的工业设备而进行的探索。请跟随我们的脚步,走进机器人动物园。

我呆呆地站在地上,目瞪口呆地望着从头顶飘过的庞然大物。

那是一只身体里充满氦气,长约3米的蝠鲼,它的银色双翼轻轻拍打着周围的空气,极其优雅地在空中游动,唯有其蒙皮发出的沙沙声和电动肌肉发出的咝咝声才透露了它机器人的真实身份。

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这款仿生机器人是德国费斯托公司(Festo)的完美力作。

然而,费斯托公司既不是玩具制造商,也不是人工智能专家,主营业务是制造那些用于在生产线上高速焊接、固定、切割、打洞的工业机械,它们和机器鱼又有什么关系呢?

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公司公关部负责人帕米拉·贝尔纳(Pamela Berner)解释说:“我们一直致力开发性能优越且耗能较少的机器。为此,我们从动物运动中寻求启迪。事实上,在长久的进化过程中,大自然有足够的时间将动物们的运动机能调整到最优状态。”

模仿动物,明智之举

十几年来,该公司的工程师们便忙于制造各种机器动物模型:企鹅、水母、鸟、鱼,以及象鼻等。

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规则是,每件模型必须带来一项或多项工业应用。就拿眼前这条蝠鲼来说,它那舞动的双翼催生了一种高效的机械镊子,能分毫不差地抓取微小的物品!

同样在这个模型的基础上,费斯托的工程师们完成了他们的顶级作品——飞鸟机器人!

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遗憾的是,公司将这些作品视若珍宝,不肯轻易展示,只有在专业沙龙或展会上,你才能不时地瞥见一件两件。

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与此相比,我们接下来为你呈现的,将是一个汇集该公司多项创造的机器人动物园!

象鼻

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人类和机器的历史性握手。

工程师受大象鼻子启发创造出的“象鼻机械手”能够惟妙惟肖地模仿其原型流畅轻柔的招牌动作。

即使这个机器象鼻不小心撞到了你,也不会对你造成任何伤害。

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费斯托公司认为,这项发明未来不仅可以用在工业领域,而且改进后,还可用在很多机器与人类有直接接触的地方,如医院、实验室等。

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机器象鼻的顶端安装了一个固定在活动轴上的三指机械手。在抓握微小物体时,质地柔软的“手指”能随物体轮廓改变形状,使操作变得更妥帖。

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目前已有两家企业配备了这款“象鼻机械手”,费斯托公司不愿透露企业的名字,但经我们调查得知,其中一家在荷兰,使用“象鼻机械手”挑选郁金香球茎;另一家为德国某巧克力公司,“象鼻机械手”被用于蛋形巧克力装盒。

工作原理:

“象鼻”由3根并排的空心圆管组成,它们就相当于肌肉。向其中一根圆管充气,由聚酰胺(通称“尼龙”)材料做成的气囊就会膨胀,于是圆管随之伸长。

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充气圆管伸;长空心圆管

但由于它同时还受另2根并未充气的圆管的牵制,因此便会弯曲。此时只要在另一根圆管内也注入空气,就能方便地控制“象鼻”朝上下左右各个方向转动。

更妙的是,“象鼻”可以随意弯曲扭转,因为它是由3组这样的构件头尾相接而成的,这9块“肌肉”每3块一组地发生作用。机械压力传感器测量每个衔接处的拉力,并将数据传至电脑,由电脑控制向各条圆管柱充气或放气。

海鸥

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“智能鸟”(SmartBird)是费斯托公司机器动物阵营中最先进的一款。它不用氦气,而是像真正的鸟类那样挥动翅膀,足以以假乱真。这款神奇的机器鸟不但可以飞行、滑翔,还可以独立完成起飞和降落的动作。

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不仅如此,它还会根据风向情况和气压变动进行实时自我调整。遥控器仅对大方向进行控制。对于费斯托公司的节能目标来说“智能鸟”使这个愿望得到了完美的实现。


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想维持它的飞行状态,只需23瓦电力,功耗仅相当于一只节能灯泡。

工作原理:

“智能鸟”主要由塑料和碳纤维构成,形似海鸥的外壳仅重26克!

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内置齿轮控制翅膀的挥动

为尽量减轻鸟身的重量,其内部构造非常简单,仅有一个内置的齿轮系统用于控制翅膀的挥动。位于翅膀尖端的迷你马达则用于控制双翼向前或向后轻微旋转,以推动“智能鸟”前进。内置电脑可精确地实时协调翅膀的运动,确保其飞行动作流畅。

梭鱼

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梭鱼是费斯托公司最初作品之一,与其他机器动物相比较为原始。其主体是一个巨大的空腔,可通过往里注水或充气来控制鱼身的沉浮。多余的空气可通过与口部齐平的小孔排出。

工作原理:

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两块巨型充气“肌肉”实现摆尾动作,鱼儿因而能不断前行。鱼尾就像船舵,控制着鱼儿的前进方向,两块藏于体侧的“肌肉”能够控制其角度,实现华丽转身。

企鹅

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在费斯托公司的众多机器动物中,企鹅是蝠鲼的直系后代。像蝠鲼一样,企鹅纺锤形的身体中充满了氦气,以保证其在空中的浮力,而挥动的双翅则负责前进的动力。

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两者的明显区别是企鹅可以后退,而且无需操作员!在地基电脑系统的监控下,企鹅可以与其他同型机器人一起自在遨游,且不会相互碰撞。

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这是因为工程师在企鹅身上安装了超声波发射与接收装置,使它们得以互相定位。

另一些地基超声波发射器则能根据电脑指令构建起一道禁止企鹅跨越的虚拟屏障,从而把它们关进一个隐形空中水族馆。


​工作原理:

企鹅翅膀内,有一根在引擎作用力下上下摆动的硬质拉杆。由于这根拉杆并非位于翅膀中间,而是翅膀前端,因此当拉杆从下往上抬升的时候,翅膀前缘会先于后缘抬起;同样,当拉杆从上往下降的时候,翅膀前缘会首先下降。

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伺服电动机可以把拉杆末端推向翅膀的前缘或后缘

如此催动双翅,企鹅便能不断前进。那么又如何使之倒退呢?这就再简单不过了,只要再装一个引擎,把拉杆末端扯向翅膀后缘即可。这样,当企鹅拍动翅膀的时候,就能倒退了。

蝠鲼

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这款名为Air-Ray的机器人是费斯托公司研发的第一批原型机之一。蝠鲼的身体中充满了氦气,以便能在空中飞行。此款机器人的设计宗旨是为了展现鳍条效应(Fin Ray effect)的高效推动力。

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借助其内部异常简单的机械构件,该机器人能够模仿蝠鲼鱼鳍的运动,从而在各种流体环境中“如鱼得水”。尾鳍上的配重只在机器人升降时起作用。机器蝠鲼可以远程遥控,但遥控者必须分别操控每个引擎,因此操作起来很是复杂。

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该装置的高效性得到验证后,费斯托公司把“鱼鳍”配在漏斗末端,作为一个活动部件。当小球(或其他我们想筛选的小物件)进入漏斗,摄像头就会对物体进行识别,决定究竟该投放在哪个货篮里。

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在引擎的作用下,“鱼鳍”快速左右扭动,把出口对准相应货篮,这样小球就会自动滑落至正确的地方。这款仍处于原型机阶段的机器未来可在任何需要筛选的装配线上发挥巨大作用。

工作原理:

想象一张一折为二的纸。当你将对折后的纸面互相搓动时,折痕就会相应地上升或下降。

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控制纵向摆动的缆线(蓝色所示)

机器蝠鲼的双鳍运动并不比这更复杂:鱼鳍边缘布满了由小型电动机轮流牵引的缆线,一部分从上到下控制鱼鳍纵向的运动;一部分则从前到后绷在鱼鳍上,使鱼鳍可以前后扭转。在它们的共同作用下,机器蝠鲼翩翩前进。

人形机器人

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不要被这个“终结者”似的上半身所迷惑,这只是一个橱窗,真正要注意的是那些气动肌肉。

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它们不仅威力强大,而且经久耐用,因此适用于各类工业机械。

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至于那个人形手臂,尽管它其实不在费斯托公司设想的应用范围之内,但也许能够成为迈向高负荷外骨骼的第一步。

工作原理:

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机器人手臂上的每块“肌肉”其实就是一根覆有芳纶(一种超高强度材料,用于制造防弹背心和军事头盔)的橡胶管。以特殊方式缠绕的芳纶纤维,使得充入高压空气的“肌肉”只能径向膨胀,因此当橡胶管鼓起来的时候,它的长度就会相应缩短,从而产生强大的牵引力。

费斯托公司称,这种橡胶肌肉,其力量可达相同管径气动活塞的10倍!最纤细的“肌肉”(直径1厘米)可举起约70千克的物体,而最粗的“肌肉”(直径4厘米)可举起超过500千克的物体!真是个大力士!

撰文 Erwan Lecomte

编译 王佳蕾

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