特種機(jī)器人的定義與分類

今年以來，特種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，各種創(chuàng)新型機(jī)器人問世，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和影響力，如用于火星探索的“超級蛇形機(jī)器人”、用于海洋監(jiān)測和研究的“水母”機(jī)器人以及可以自毀的軟體機(jī)器人等。同時(shí)，在人工智能技術(shù)賦能下，特種機(jī)器人功能更加強(qiáng)大。未來，特種機(jī)器人在太空探索、軍事偵察、緊急救援等領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛，更好地滿足各領(lǐng)域任務(wù)需求。

一、特種機(jī)器人的定義與分類

特種機(jī)器人，又稱為專用服務(wù)機(jī)器人，屬于服務(wù)機(jī)器人的一種。根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會（International Federation of Robotics，IFR）的定義，服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人（不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備），它能完成有益于人類的服務(wù)工作。服務(wù)機(jī)器人可分為專用服務(wù)機(jī)器人和家用服務(wù)機(jī)器人兩類。其中，專用服務(wù)機(jī)器人是在特殊環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人，又稱特種機(jī)器人，如水下作業(yè)機(jī)器人、空間探測機(jī)器人、搶險(xiǎn)救援機(jī)器人、反恐防暴機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人及其他特殊用途機(jī)器人；而家用服務(wù)機(jī)器人是服務(wù)于人的機(jī)器人，如清潔機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人等。

特種機(jī)器人的早期研究集中在軍事領(lǐng)域。二戰(zhàn)期間首次出現(xiàn)了用于軍事目的的遙控機(jī)器人。德軍制造的“歌利亞”遙控炸彈被認(rèn)為是現(xiàn)代遙控軍用機(jī)器人的鼻祖，這一時(shí)期的機(jī)器人主要用于地雷探測和拆除，以及軍事偵察任務(wù)等。隨著科技的不斷發(fā)展，特種機(jī)器人逐漸開始在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，水下作業(yè)機(jī)器人可在人類難以到達(dá)的水下完成維修和勘察任務(wù)，大幅提高了人類的工作效率。

特種機(jī)器人的分類較為復(fù)雜，根據(jù)不同的要素可有不同的分類方法。本文按照特種機(jī)器人使用的空間（陸域、水域、空中、太空、多空間）進(jìn)行分類描述，對特種機(jī)器人的最新研究成果加以介紹分析。

二、研究現(xiàn)狀

伴隨著科技的發(fā)展和需求的增長，特種機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)增加，不論是在陸地、海洋還是太空中，都有新式特種機(jī)器人的身影。

（一）陸域機(jī)器人

（1）可自毀的偵察機(jī)器人

2023年8月，韓國首爾國立大學(xué)研究人員開發(fā)出一款可以自毀并不留任何痕跡的機(jī)器人。這種機(jī)器人由一種柔性硅樹脂材料制成，當(dāng)暴露在紫外線下時(shí)，該樹脂會釋放氟離子，加熱材料并使其迅速降解，只留下油狀液體。該機(jī)器人還配備了溫度傳感器陣列、應(yīng)變傳感器和光電探測器陣列，通過溫度傳感器和光電探測器監(jiān)測狀況來確定何時(shí)觸發(fā)機(jī)器人的自毀。這項(xiàng)技術(shù)可以確保機(jī)器人在執(zhí)行監(jiān)視、偵察和運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，攜帶的敏感數(shù)據(jù)不會被敵方或未經(jīng)授權(quán)的人訪問。一旦任務(wù)完成或被敵人發(fā)現(xiàn)時(shí)，操作員可以觸發(fā)內(nèi)置的紫外LED，使機(jī)器人在不到兩小時(shí)內(nèi)自行分解成無法恢復(fù)的形式。此外，這些機(jī)器人還可以用于在危險(xiǎn)區(qū)域執(zhí)行搜索任務(wù)等，具有廣泛應(yīng)用空間。

（2）多功能偵察機(jī)器人

2023年12月，俄羅斯赫魯廖夫大將物資技術(shù)保障軍事科學(xué)院的研究人員開發(fā)出一款多功能機(jī)器人，能夠執(zhí)行技術(shù)偵察技術(shù)、排雷、撤離傷員、發(fā)射無人機(jī)以及對其充電。這是一種輕型無人駕駛平臺，采用Kevlar機(jī)身，配備機(jī)械手、PKT機(jī)槍、煙幕系統(tǒng)、帶有可伸縮發(fā)射平臺和充電裝置，位置發(fā)射器和地雷探測系統(tǒng)。機(jī)器人的主要功能包括偵察武器和地形、維修工作和疏散傷員。無人機(jī)降落在機(jī)器人上后，通過連接位于平臺底部和無人機(jī)腿部的磁性觸點(diǎn)，為無人機(jī)電池充電。因此，本發(fā)明可以簡化設(shè)計(jì)并提高技術(shù)智能機(jī)器人的可靠性，提供探測地雷和其他爆炸裝置的能力，實(shí)現(xiàn)雙工通信和為無人機(jī)充電。

（二）水域機(jī)器人

（1）多功能水下探測機(jī)器人“Jellyfish-Bot”

2023年4月，德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所（MPI-IS）的科學(xué)家受水母啟發(fā)，開發(fā)出一個(gè)多功能水下機(jī)器人——Jellyfish-Bot。Jellyfish-Bot體積小、節(jié)能且?guī)缀跬耆o音。它采用電動(dòng)液壓致動(dòng)器作為人工肌肉，通過電流驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)具備空氣墊和防水組件以提供穩(wěn)定性。這一設(shè)計(jì)使得機(jī)器人能夠優(yōu)雅迅速地游動(dòng)，動(dòng)作看起來像真正的水母。

圖1：多功能水下探測機(jī)器人“Jellyfish-Bot”

Jellyfish-Bot具有廣泛的應(yīng)用潛力，特別是在清理海洋垃圾方面。它可以在復(fù)雜的海洋環(huán)境中搜尋和搬運(yùn)垃圾、收集脆弱的生物樣本，如魚卵等。此外，Jellyfish-Bot幾乎無聲地運(yùn)行，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，從而使其能夠與水生物種溫和地互動(dòng)，成為海洋生物學(xué)研究的理想助手。Jellyfish-Bot代表了水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新，為應(yīng)對海洋塑料污染等全球環(huán)境問題提供了新的解決方案。

（2）仿“螳螂蝦”機(jī)器人

2023年11月，中國浙江理工大學(xué)和英國埃塞克斯大學(xué)（University of Essex）的研究人員合作開發(fā)出一款仿生機(jī)器人，靈感來自蝦螳螂蝦，旨在探索和監(jiān)測水下狹窄環(huán)境。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)參考生物螳螂蝦，采用扁平身體和流線型尾叉設(shè)計(jì)，有效減小水流阻力。剛?cè)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合設(shè)計(jì)降低水對機(jī)器人的影響，提高在水下運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性。該機(jī)器人由5對人工腹足和柔軟的身體組成，通過調(diào)整腹足的運(yùn)動(dòng)頻率、振幅和相位差，實(shí)現(xiàn)速度和穩(wěn)定性的平衡。經(jīng)過原型測試，機(jī)器人在水下表現(xiàn)出色，最大速度達(dá)到0.28米/秒，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.36米，展現(xiàn)了在狹窄和復(fù)雜水下環(huán)境中進(jìn)行探索任務(wù)的潛力。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、形狀和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在狹窄水下環(huán)境中的自主移動(dòng)，并增加信息獲取設(shè)備，以更精確地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。未來希望將該技術(shù)應(yīng)用于海洋環(huán)境的監(jiān)測和救援。

（三）空中機(jī)器人

（1）能夠在受損后恢復(fù)飛行功能的昆蟲級機(jī)器人

2023年3月，美國麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出具有彈性的“人造肌肉”，可以讓昆蟲級大小的空中機(jī)器人在遭受嚴(yán)重?fù)p傷后有效恢復(fù)飛行性能。實(shí)驗(yàn)顯示，這種昆蟲機(jī)器人在被10根針扎穿或一側(cè)翅膀被剪掉20%的情況下仍能飛行。研究人員使用一種名為“介電彈性體制動(dòng)器”的柔性材料作為“人造肌肉”，它能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為昆蟲機(jī)器人兩側(cè)的翅膀提供動(dòng)力。最關(guān)鍵的是，這種“人造肌肉”材料有一種故障自清除機(jī)制，能斷開電極與微小損傷部位的連接，讓裝置繼續(xù)運(yùn)作。對于較大的損傷，研究人員開發(fā)出一種激光修復(fù)技術(shù)，能讓以往必須報(bào)廢的昆蟲機(jī)器人重新投入使用。據(jù)評估，過去需要報(bào)廢的機(jī)器昆蟲經(jīng)過修復(fù)后，可恢復(fù)87%的飛行能力。研究人員表示，這種機(jī)器人具有很高的魯棒性和適應(yīng)性，可以用于各種任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難救援、生物學(xué)觀察等。

（2）可全方位穩(wěn)定飛行的“蜜蜂”機(jī)器人

2023年5月，美國華盛頓州立大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種可在各個(gè)方向穩(wěn)定飛行的蜜蜂機(jī)器人（Bee++）。這款Bee++原型機(jī)重量為95毫克，翼展為33毫米，比重約10毫克的真正蜜蜂大，但它完全實(shí)現(xiàn)了典型飛行昆蟲所展示的六度自由運(yùn)動(dòng)。Bee++擁有4個(gè)由碳纖維和聚酯薄膜制成的機(jī)翼，以及4個(gè)控制機(jī)翼的輕型驅(qū)動(dòng)器，一次可實(shí)現(xiàn)自主飛行5分鐘，是全球首款能夠在各個(gè)方向穩(wěn)定飛行的原型機(jī)。該研究團(tuán)隊(duì)在2019年首次制造出一個(gè)質(zhì)輕到可以起飛的四翼機(jī)器人，但很難控制其復(fù)雜的偏航運(yùn)動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，研究人員從昆蟲身上得到啟發(fā)，改進(jìn)了機(jī)器人的物理設(shè)計(jì)，并發(fā)明了新的控制器。研究人員調(diào)整了機(jī)器人的翅膀，使其在一個(gè)傾斜的平面內(nèi)拍打，還將機(jī)器人每秒拍打翅膀的次數(shù)從每秒100次增加到160次。這種機(jī)器人可用于人工授粉、狹小空間內(nèi)的搜救、各種環(huán)境中的生物研究或環(huán)境監(jiān)測等多項(xiàng)應(yīng)用。

（四）太空機(jī)器人

（1）外星生物生命探測器（EELS）

2023年5月，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）對用于穿越極端地形的蛇形機(jī)器人進(jìn)行了測試。該機(jī)器人被稱為“外星生物現(xiàn)存生命探測器”（Exobiology Extant Life Surveyor，EELS），重100千克，長4米，由10個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的相同組件構(gòu)成，使用螺紋進(jìn)行推進(jìn)、牽引和抓握。EELS蛇形機(jī)器人能夠自主繪制地圖、穿越和探索以前無法到達(dá)的目的地，而無須人類實(shí)時(shí)操作。其目標(biāo)之一是尋找可能隱藏在“土衛(wèi)二”冰殼下的生命跡象。據(jù)現(xiàn)有資料顯示，EELS具有許多突破性超強(qiáng)功能，主要表現(xiàn)在：一方面該機(jī)器人具有高度適應(yīng)性。EELS已經(jīng)在沙地、雪地和冰雪環(huán)境中進(jìn)行了測試，表現(xiàn)出高度的適應(yīng)性。它可以在地球、月球和更遠(yuǎn)的地方選擇出安全的運(yùn)行路線，包括連綿起伏的沙地和冰地、懸崖峭壁、對漫游車來說過于陡峭的隕石坑、地下熔巖管道和冰川內(nèi)部空間。另一方面該機(jī)器人具有高度自主性。由于地球和深空之間存在通信滯后，EELS被設(shè)計(jì)成一種能自主感知所處環(huán)境、計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)、行進(jìn)的機(jī)器人。

（2）探索火星的類蜥蜴機(jī)器人

圖：探索火星的類蜥蜴機(jī)器人

2023年2月，中國南京航空航天大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的以蜥蜴為靈感的四足機(jī)器人，以幫助探索火星。該機(jī)器人具有靈活的身體結(jié)構(gòu)，可以復(fù)制沙漠蜥蜴的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)方式，從而能夠克服在軟土上移動(dòng)和攀爬巖石等難題。研究人員創(chuàng)建了一系列運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并在模擬和原型測試中對其進(jìn)行評估。該團(tuán)隊(duì)目前正在研究機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以使機(jī)器人的動(dòng)作適應(yīng)不同的地形，并計(jì)劃添加一個(gè)持續(xù)供電系統(tǒng)。

（五）多空間機(jī)器人

2023年3月，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的研究人員開發(fā)出一種可以在不同的環(huán)境條件下改變自己的形狀和運(yùn)動(dòng)方式的新型軟體機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)快速從陸地轉(zhuǎn)移到海洋，無需重新配置。

圖4：可在陸地和水中自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人

該軟體機(jī)器人約為手機(jī)大小，由兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器組成，四個(gè)角上各安裝了一個(gè)彎曲的執(zhí)行器。其中雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)從步行狀態(tài)無縫切換到爬行、跳躍和游泳狀態(tài)的主要部件。該雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器由包含形狀記憶合金彈簧的3D打印軟橡膠制成，彈簧可根據(jù)電流做出收縮反應(yīng)，從而導(dǎo)致制動(dòng)器彎曲。在陸地上時(shí)，四個(gè)彎曲的執(zhí)行器可以充當(dāng)腿來行走。在水中時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器會改變機(jī)器人的形狀，將彎曲的執(zhí)行器置于可充當(dāng)螺旋槳的理想位置，完成游泳動(dòng)作。研究人員稱，該軟體機(jī)器人具有很高的靈活性和適應(yīng)性，可以應(yīng)用于多種場景，例如執(zhí)行海洋救援任務(wù)、與海洋動(dòng)物互動(dòng)等。

三、特種機(jī)器人的發(fā)展趨勢

相對于一般的工業(yè)機(jī)器人及家用服務(wù)機(jī)器人，特種機(jī)器人的工作環(huán)境和作業(yè)條件更為復(fù)雜，對機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能也提出了更高的要求。因此，未來特種機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出更多的創(chuàng)新和發(fā)展。

一是微型化。當(dāng)前，機(jī)器人的使用場景逐漸趨向于精確化、狹窄化和復(fù)雜化，這種任務(wù)場景的需求加速特種機(jī)器人向著微型化方向發(fā)展。微型機(jī)器人具有靈活性高、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠在狹窄、危險(xiǎn)或難以到達(dá)的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。2022年5月，中國清華大學(xué)研發(fā)出一種可在亞厘米級管道中高效運(yùn)動(dòng)的管道探測機(jī)器人，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路檢修等相關(guān)領(lǐng)域。此外，在軍事應(yīng)用中，微型化機(jī)器人可以潛入敵方陣地，執(zhí)行偵察、監(jiān)聽和破壞任務(wù)；在醫(yī)療領(lǐng)域，微型化機(jī)器人可以進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行精確的治療和手術(shù)。微型化已經(jīng)成為特種機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)新興的研究分支，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

二是智能化。隨著人工智能和自主系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特種機(jī)器人將變得更加智能和自主，能夠更靈活地適應(yīng)各種任務(wù)環(huán)境。同時(shí)，多模態(tài)感知、協(xié)作控制等技術(shù)將推動(dòng)特種機(jī)器人在多領(lǐng)域協(xié)同作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。2023年6月，谷歌DeepMind發(fā)布RoboCat AI模型展現(xiàn)出機(jī)器人自我學(xué)習(xí)的巨大潛力，為機(jī)器人學(xué)研究提供了嶄新的方向。智能化特種機(jī)器人不僅能夠感知環(huán)境、作出決策，還能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的任務(wù)場景。通過融合深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，特種機(jī)器人可以從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，不斷提升自身的適應(yīng)能力和智能水平。

三是仿生化。自然界生物體經(jīng)過億年的進(jìn)化，形成了高度適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能，一直以來都是研究人員開發(fā)新式特種機(jī)器人的靈感來源。通過模仿生物體，機(jī)器人可以獲得更高的適應(yīng)性，能夠在復(fù)雜和不確定的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。機(jī)器人仿生化有助于其在特定環(huán)境中更隱蔽、安全地完成任務(wù)。2023年7月，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員受小海龜啟發(fā)開發(fā)出一種新型機(jī)器人，它可以在沙子下游泳，還可以使用模仿海龜幼體超大鰭狀肢的前肢將自己挖出來。該機(jī)器人成為唯一能夠在5英寸深的沙子中行駛的機(jī)器人，可用于環(huán)境監(jiān)測、糧倉檢查和災(zāi)害應(yīng)對等多個(gè)領(lǐng)域。

四、結(jié)語

得益于人工智能技術(shù)、仿生學(xué)和新材料的發(fā)展，特種機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加、功能愈發(fā)強(qiáng)大，部分機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)使機(jī)器人能夠更好地感知環(huán)境、作出決策并執(zhí)行任務(wù)。展望未來，特種機(jī)器人將擁有更強(qiáng)大的人工智能、更高的自主性、更長的續(xù)航能力和更廣闊的應(yīng)用空間，繼續(xù)成為解決各種復(fù)雜任務(wù)和挑戰(zhàn)的有力工具。

審核編輯：黃飛

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