作为一名机器人工程师，圣母大学电气工程助理教授Yasemin Ozkan-Aydin从生物系统中获得了灵感。蚂蚁、蜜蜂和鸟类解决问题和克服障碍的集体行为是研究人员在空中和水下机器人中开发出来的。然而，开发具有穿越复杂地形能力的小型群体机器人带来了一系列独特的挑战。
在发表在《科学机器人》杂志上的一项研究中，Ozkan-Aydin展示了她如何能够制造出能够在具有挑战性的环境中进行操作并集体完成困难任务的多腿机器人，模仿它们在自然世界中的对手。
Ozkan-Aydin说:“有腿的机器人可以在崎岖的地形和狭窄的空间等具有挑战性的环境中行走，四肢的使用可以提供有效的身体支撑，使机器人具有快速的机动性，并有助于跨越障碍。”“然而，有腿机器人在陆地环境中面临着独特的移动挑战，这导致运动性能下降。”
奥兹坎-艾丁说，在这项研究中，她假设，单个机器人之间的物理连接可以增强陆地腿部集体系统的机动性。单个机器人可以完成简单或小的任务，如在光滑的表面移动或携带轻的物体，但如果任务超出了单个单元的能力，机器人就会在物理上相互连接，形成一个更大的多腿系统，共同解决问题。
“当蚂蚁收集或运输物体时，如果有一只蚂蚁遇到了障碍，它就会集体努力克服这个障碍。例如，如果路径上有缺口，它们会搭一座桥，这样其他蚂蚁就可以穿过——这就是这项研究的灵感所在。”她说。“通过机器人技术，我们能够更好地了解这些生物系统的动力学和集体行为，并探索我们未来可能如何使用这种技术。”
利用3D打印机，奥兹坎-艾丁制造了15到20厘米长的四足机器人，或大约6到8英寸。每个机器人都配备了锂聚合物电池、微控制器和三个传感器——一个在前面的光传感器和两个在前面和后面的磁触摸传感器，使机器人能够相互连接。四条灵活的腿减少了对额外传感器和部件的需求，并赋予机器人一定程度的机械智能，这有助于在与粗糙或不平坦的地形互动时。
奥兹坎-艾丁说:“你不需要额外的传感器来检测障碍物，因为机器人腿的灵活性可以帮助它直接通过障碍物。”“他们可以测试道路上的缝隙，用自己的身体搭建一座桥梁;移动对象单独;或者连接到不同类型的环境中集体移动物体，就像蚂蚁一样。”
奥兹坎-艾丁于2020年初开始了她的研究，当时该国大部分地区因COVID-19大流行而关闭。在打印出每一个机器人后，她将每一个机器人都组装好，然后在家里、院子里或和儿子在操场上进行实验。这些机器人在草地、覆盖物、树叶和橡子上进行了测试。她在刨花板上进行了平地实验，并用绝缘泡沫建造楼梯。机器人也在粗毛地毯上进行了测试，长方形的木块粘在刨花板上作为粗糙的地形。
当一个单独的单元被卡住时，一个信号会发送给其他机器人，这些机器人连接在一起，在集体工作的同时，为成功穿越障碍物提供支持。
奥兹坎-艾丁说，她的设计还有待改进。但是她希望这项研究的发现能够为低成本的腿群的设计提供信息，这些腿群能够适应不可预见的情况，并执行现实世界的合作任务，如搜救行动、集体物体运输、空间探索和环境监测。她的研究将集中于提高系统的控制、感知和功率能力，这对现实世界的运动和解决问题至关重要——她计划使用这个系统来探索昆虫的集体动力学，如蚂蚁和白蚁。
“对于功能性蜂群系统，电池技术需要改进，”她说。“我们需要能够提供更多电力的小型电池，理想情况下续航时间超过10小时。否则，在现实世界中使用这种系统是不可持续的。”额外的限制包括需要更多的传感器和更强大的马达——同时保持机器人的尺寸较小。
“你需要考虑机器人在现实世界中如何工作，所以你需要考虑需要多少电力，你使用的电池的大小。一切都是有限的，所以你需要对机器的每个部分做出决定。”
佐治亚理工学院的丹尼尔·戈德曼(Daniel I. Goldman)是这项研究的合著者。
