在機器人及智能材料領域，經典控制系統會面對一些無法處理的場景，而無電腦控制系統 —— 能夠靠通過感知周圍環境因素而自行決策前進路線的控制系統，因此可以代替經典控制系統，從而解決經典控制系統無法處理的問題。

盡管在諸如微游泳器和活性膠體中，已經使用了無電腦控制自主決策功能，但目前已使用無電腦控制的系統都有一個共同點：只能在周圍是可充電液體的環境中使用。

目前，還沒有能夠在干燥環境中通過靠周圍環境的化學物質來為自己提供足夠動力并進行移動和操縱的大型機器人和車輛設備。

本文介紹的這項工作則通過使用環境控制電壓源（ECVS，environmentally controlled voltage source）突破了干燥環境這一限制，相關論文的第一作者是王敏。論文以《使用電趨化性的無計算機自動導航和發電》（Computer-Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro-Chemotaxis）為題，于近日發表在 Advanced Intelligent Systems 上。

在論文中，他表示當車輛上的電動機與 ECVS 相連時，ECVS 可以給車輛充電，并通過無電腦控制自主決策功能為車輛導航，將車輛帶到附近的化學燃料充電站或遠離周圍的危險因素。

此外，ECVS 利用化學燃料通過電化學方法進行充電，并且可以避免車輛輸出電壓降低或電化學動力學方面的危險。

研究中，王敏還將兩個 ECVS 串聯或并聯布置，從而可以根據 ECVS 周圍接觸的化學物質來執行不同的邏輯功能。這項工作提出的在干燥情況下進行無電腦控制的新方法，即通過電化學來根據周圍環境中的各種化學場進行相應的響應，從而可以在不使用計算機的情況下為車輛和機器人提供動力并進行導航。

王敏說，毫米和厘米大小的機器人必須由小的電源來驅動其傳感器、微控制器等，使其完成各種任務。然而，電池容量與材料的重量成正比，所以微電池的能量有限。

例如，最好的商用微電池只能為昆蟲大小的爬行機器人提供大約 1 分鐘的動力。因此，需要一種全新的能源系統來克服這一挑戰。本次工作中提出的 ECVS 克服了這一挑戰，它從環境中（金屬和氧氣）提取能量，就像一個能量采集器，從而減少了機器人小車的重量。

機器人為了實現避障會引入紅外或超聲裝置，但都易受周圍環境的影響（光線、溫度），ECVS 還可以幫助機器人在不借助電子控制系統的條件下，自主實現避障導航。

此外，機器人可以像細胞生物一樣，可以自由自主 “覓食” 和避險，而無需外部供能。這里的 “覓食” 指的是，讓機器人具有自主尋找環境中可利用能源的能力。

當機器人電量不足時，需要及時到充電站補充電能繼續工作。ECVS 類似于一個傳感裝置，可以幫助機器人發現周圍環境中的金屬源（例如易拉罐）并從中獲取電能，如果遇到無能量物體，會自動避開。

簡單來說，ECVS 是一個可以識別能量源并同時提取能量的傳感器，幫助機器人趨向高能源區域” 覓食”。

其中，ECVS 的具體研發過程如下，在沒有外力的干預下，單個 ECVS 只能驅使機器人小車在金屬板上沿直線運動，當遇到無金屬區域，會停止前進。概括來說，這些工作的初衷是為了保證機器人小車可以避開無能量區域繼續運動。

研究中，王敏先設計出多個機器人小車的三維模型，再 3D 打印出來。測試了大概 10 個模型，才最終確定。通過計算馬達的工作功率，確定了 ECVS 的尺寸。

這一步比較費時間，因為需要設計出可以穩定協同工作的所有配件，摸索中尋找一個平衡點。之后的工作相對順利，機器人小車按照預期完成了所有的功能，整體工作在半年內完成。

另據悉，ECVS 可有效彌合內部儲能或外部收集兩種技術的缺陷，為移動機器人持續供能。其中，ECVS 的結構很簡單，在鉑碳上面粘上聚丙烯酰胺水凝膠，這是一種能夠儲存電解液和實現離子傳導的半固體物質。

日常可見的金屬中儲存著大量的電能，當 ECVS 接觸金屬（鋁、銅、鎂和鐵等）時，會組成金屬空氣電池體系，輸出一定的電壓，從而判斷出高能量、低能量和無能量區，在收集能量的同時實現自主導航，向相對高能量區運動。

當然這都需要多個 ECVS 組合完成，可以根據需求，調整 ECVS 的數量、位置、連接方式。當沒有能量差時，機器人會保持直線運動。那么問題來了，如果出現能量差，但機器人仍需要保持直線完成作業，怎么辦？這時可以通過調整邏輯門（和、或、非）來保證機器人的需求。除了金屬，ECVS 也會對纖維素、葡萄糖和氧含量作出反饋。

談及該研究的應用，王敏表示目前并沒有實際應用，下一步工作是應用到商業的避障機器人。

原文標題：科學家研發可識別能量源的傳感器，可幫助機器人在高能源區域” 覓食”

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責任編輯：haq