一群恐怖分子冲进一栋办公楼，劫持了人数不明的人质。他们封锁了入口，遮盖了窗户。外面没有人能看到他们有多少人，携带了什么武器，或者把人质关在哪里。但是，一支特警队突然冲进房间，在袭击者甚至来不及拿起武器之前就抓住了他们。突击队员是如何获得他们自信而果断地行动所需的信息的呢？
答案是一队小型、协同工作的机器人。他们通过通风系统渗透到大楼内部，并在管道中系统地移动。一些机器人配备了麦克风来监听对话，另一些机器人配备了小型摄像机，还有一些机器人配备了传感器来嗅探空气中的化学或生物制剂。他们协同工作，将这些实时信息无线电传输回当局。
这大致是美国国防高级研究计划局 (DARPA) 在 1998 年向机器人研究人员提出的情景。他们的挑战是开发微型侦察机器人，士兵可以将它们背在背上，像爆米花一样撒在地板上。在国内，消防员和搜救人员可以将这些机器人从窗户扔进去，让它们四处巡视，寻找被困受害者或嗅探有毒物质。目前，这些情景仍然远远超出最先进水平。然而，微型机器人的愿景已经引起了领先的机器人设计师的关注。现在的焦点正在从专注于少数几个装满传感器的大型平台（就像轮子上的瑞士军刀）转向构建由小型、轻便和简单的机器人组成的舰队。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续报道关于发现和塑造我们当今世界的想法的具有影响力的故事。
原则上，小人国机器人比它们笨重的同类具有许多优势。它们可以爬过管道，检查倒塌的建筑物，并隐藏在不显眼的角落里。一组组织良好的机器人可以交换传感器信息，以绘制从单个有利位置无法轻易理解的物体地图。它们可以互相帮助以翻越障碍物或从跌倒中恢复。根据情况，团队负责人可以派遣更多或更少数量的机器人。如果一个机器人发生故障，整个任务不会失败；其余机器人可以继续执行任务。
但是，小型机器人需要一种新的设计理念。它们不像大型同类那样拥有充裕的电力和空间，并且它们无法容纳执行给定任务所需的所有组件。即使携带像摄像机这样紧凑的东西也几乎会让小型机器人不堪重负。因此，它们的传感器、处理能力和物理强度必须分散在多个机器人之间，然后这些机器人必须协同工作。这样的机器人就像蚁群中的蚂蚁：单独时虚弱且脆弱，但当它们联合起来时，效率很高。
[中断] 轮腿、高尔夫球和罐头盒
研究人员已经采用了各种方法来解决制造这种规模的机器人的问题。有些人采用了生物学方法来模仿昆虫和动物的属性。例如，凯斯西储大学的机器人设计师开发了一种模仿蟑螂的高度移动平台。它使用轮子和腿 (“轮腿”) 的混合体来在不平坦的地形上疾驰。密歇根大学安娜堡分校的一个团队提出了一种双足机器人，其铰接肢体的末端带有吸盘，使其能够像毛毛虫一样爬墙。
生物学不仅启发了机器人的物理形状，还启发了它们的控制系统。麻省理工学院的机器人专家发明了高尔夫球大小的机器人，它们像蚂蚁一样觅食。它们使用简单的光传感器来向彼此表达“情感”并集体做出决定。这类研究的灵感来自著名的机器人科学家罗德尼·A·布鲁克斯的工作。在他率先提出的基于行为的控制算法中，每个机器人都会对局部刺激做出反应。没有中央计划，没有指挥部队的上校。相反，团队的行动是个人之间相互作用的结果。尽管这种方法具有创新性，但在它可以结出果实之前，仍然存在许多问题。深思熟虑的任务需要深思熟虑的行动和深思熟虑的计划——至少目前为止，涌现行为还不能可靠地提供这些。
在更深思熟虑的方面，明尼苏达大学的研究人员开发了侦察兵，这种机器人可以像手榴弹一样从窗户发射出去。这些两轮设备形状像罐头盒，配备了摄像机，用户可以通过远程操作来控制它们。同样，加利福尼亚州帕洛阿尔托的 PARC（前身为施乐 PARC）也创造了一种高度铰接的蛇形机器人，用户可以通过远程视频来引导它。它实际上可以爬过障碍物和管道。然而，与侦察兵一样，这些机器人目前缺乏足够的本地传感能力，必须依靠人类操作员进行决策。这种缺陷使得它们难以大规模部署。
一些小型机器人平台已经上市。在瑞士开发的冰球大小的机器人 Khepera 在对基于行为的控制感兴趣的研究人员中很受欢迎。业余爱好者也在试验这项技术。加利福尼亚州隆波克的 Living Machines 公司推出了一款名为 Pocket-Bot 的微型可编程机器人。同样，乐高 Mindstorms 是广受欢迎的乐高玩具积木的扩展，它允许公众构建和操作简单的机器人。它们被用于科学项目和大学竞赛中。但是，这些商业设计的传感和控制仍然非常初级，并且缺乏执行复杂任务的能力。
[中断] 电力短缺
在卡内基梅隆大学，重点是灵活性。我们构建了一个由大约十几个“毫微机器人”组成的团队，每个机器人的边长约为 5 厘米。在这个尺寸下，我们仍然可以使用现成的组件进行传感和处理，尽管我们必须定制设计电路板和控制器。每个机器人由三个主要模块组成：一个用于移动，一个用于控制，一个用于传感。移动模块位于底部。它的两个电机驱动由小 O 形圈制成的履带。目前的版本可以以大约每秒 20 厘米的最大速度在办公室地板和地毯上移动，约为正常人步行速度的六分之一。随着我们开发新的移动平台，我们可以将它们卡入到位，而无需重新设计机器人的其余部分。
中间模块提供处理和控制。当前的设计包含一个类似于 20 世纪 80 年代早期个人计算机中使用的 8 位微控制器。尽管无法与现代台式计算机相提并论，但这些处理器仍然可以为机器人执行实时控制。位于顶部的传感模块包括用于测量到附近障碍物距离的声纳和近红外传感器；用于检测温暖物体的中红外传感器（如运动探测器中使用的传感器）；用于监视的摄像机；以及用于与其他机器人或基地通信的无线电调制解调器。
也许对这些和其他小型机器人最严重的限制是电力。电池笨重且沉重。它们的扩展性不好：随着尺寸的减小，电池达到一个阈值，在该阈值下，它无法提供移动自身重量所需的电力。我们毫微机器人上的两个可充电镍氢手机电池占据了大约三分之一的可用空间。它们仅能为有限的传感器阵列提供足够的电力，并且运行时间在 30 到 90 分钟之间，具体取决于任务的复杂性。更大的电池会增加运行时间，但会挤占必要的组件。小型机器人设计完全是关于妥协。速度、持续时间和功能与重量、尺寸和组件可用性竞争。
为了应对这些限制，我们为毫微机器人采用了两种设计方法：专业化和协作。前者意味着机器人仅配备执行特定任务所需的足够传感和处理能力，从而使其能够最佳地利用可用空间和电力。在典型的任务中，一些毫微机器人负责绘制周围环境的地图。另一些机器人为人类操作员提供实时反馈，或者携带特定于该任务的传感器。为了完成任务，机器人必须协作。
[中断] 我们在哪里？
需要协作的一个重要任务是定位：确定团队的位置。大型机器人可以奢侈地使用多种技术来确定其位置，例如全球定位系统 (GPS) 接收器、固定信标和视觉地标识别。此外，它们还具有将当前传感器信息与现有地图进行匹配的处理能力。
这些技术都不能可靠地用于微型机器人。它们的传感器范围有限；毫微机器人声纳可以测量最远约两米的距离。它们太小而无法携带 GPS 单元。航位推算（通过测量轮速来跟踪位置的技术）因其重量轻而受到阻碍。即使是像地毯的编织方向这样看似无关紧要的事情也会极大地影响它们的运动，使里程计读数不准确，就像汽车的里程表在冰封的湖面上行驶时无法提供准确的距离一样。
因此，我们不得不提出一种新技术：微型化的 GPS 版本。该技术不使用卫星，而是利用声波来测量组中机器人之间的距离。除了无线电调制解调器外，每个毫微机器人还配备了一个超声波传感器。为了确定距离，毫微机器人同时发射无线电脉冲和超声波信号，它们向各个方向辐射。其他机器人监听这两个信号。以光速传播的无线电波几乎瞬间到达。声音以大约每秒 340 米的速度移动，在几毫秒后到达，具体取决于发送信号的机器人和接收信号的机器人之间的距离。传感模块上的锥形金属片将超声波向下反射到传感器上，使机器人能够检测来自任何方向的声音。该过程类似于通过测量闪电和雷声之间的时间间隔来测量到逼近的风暴的距离。
通过交替其发射和监听角色，机器人可以计算出它们之间的距离。每次测量大约需要 30 毫秒才能完成。团队负责人（基地或更大的机器人，可能是部署毫微机器人的母机器人）收集所有信息并使用三边测量法计算机器人位置。三边测量法类似于更广为人知的三点定位法，不同之处在于它依赖于距离而不是罗盘方位来确定位置。在二维空间中，每个距离估计值都表明另一个机器人位于围绕发射机器人的某个圆上。两个或多个圆的交点标记了其他机器人的潜在位置 [参见第 37 页的方框]。该算法找到最能满足所有圆的交点和距离测量的机器人排列。
使该过程复杂化的一件事是，机器人的不止一种排列可能与数据匹配。另一个原因是距离测量容易出错和不确定。超声波信号会从地板和墙壁反射，从而导致距离读数模糊不清。事实上，根据几何形状，波干涉可能会导致信号完全消失。因此，我们开发了一种算法，将超声波测距与航位推算相结合，尽管航位推算存在问题，但它提供了足够的附加信息来消除歧义。该算法估计测量误差，并计算使总体误差最小化的机器人位置集。
这种定位方法的优点是毫微机器人不需要固定的参考点即可导航。它们可以进入陌生的空间并自行勘测。在绘图期间，一些选定的毫微机器人充当信标。这些机器人保持静止，而其他机器人则四处移动，在绘制地图和避开物体的同时测量它们相对于信标的位置。当团队完全探索了信标周围的区域后，机器人会切换角色。探索机器人将自己定位为信标，而上一组机器人开始探索。这种技术类似于儿童游戏“跳跳蛙”，并且可以在没有人为干预的情况下执行。
[中断] 指挥链
障碍物为小型机器人提供了另一个协作理由。由于其尺寸，小型机器人容易受到我们生活中普遍存在的随机杂物的影响。它必须处理岩石、泥土和散落的纸张。标准毫微机器人的离地间隙约为 15 毫米，因此铅笔或树枝可能会阻止它前进。为了克服这些限制，我们提出了一种新型的毫微机器人，它可以像火车车厢一样连接在一起。这些新型毫微机器人每个长约 11 厘米，宽 6 厘米，看起来像微型第一次世界大战风格的坦克。通常，它们独立漫游，并且足够通用，可以越过小型障碍物。但是，当它们需要越过沟渠或攀爬楼梯时，它们可以连接起来形成链条。
使链条具有通用性的是毫微机器人之间的耦合关节。与火车车钩或汽车上的拖车挂钩不同，毫微机器人耦合关节包含一个强大的电机，该电机可以上下旋转关节，并具有足够的扭矩来抬起多个毫微机器人。为了爬楼梯，链条首先向上推抵楼梯的底部。然后，链条中心附近的毫微机器人之一将链条的前部向上悬臂。到达顶部的毫微机器人然后可以将较低的毫微机器人拉上来 [参见对面页面的方框]。目前，此过程必须由人类远程控制，但最终链条应该能够自动攀爬楼梯。
研究人员的注意力已经开始从硬件开发转向更好的控制系统的设计。重点将从少数个体的控制转向数百或数千个个体的管理——这是一项根本不同的挑战，需要来自经济学、军事后勤甚至政治学等相关领域的专业知识。
我们设想大规模控制的方式之一是通过层级结构。就像军队一样，机器人将被分成由当地领导者控制的较小团队。该领导者将对更高级别的权威负责。毫微机器人已经受到更大的坦克状机器人的指挥，后者的奔腾处理器可以处理复杂的地图绘制和定位计算。这些更大的机器人可以将一串毫微机器人像小鸭子一样拖在身后，并在必要时将它们部署在感兴趣的区域。它们本身会向我们团队中更大的全地形车机器人报告，这些机器人配备了多台计算机、摄像机、GPS 单元和数百公里的范围。我们的想法是，更大的机器人会将较小的机器人部署在它们自己无法进入的区域，然后留在附近以提供支持和指导。
可以肯定的是，小型机器人还有很长的路要走。在少数几个实验室之外，没有小型机器人团队在建筑物的大厅里漫游，寻找危险。尽管这些机器人的潜力仍然巨大，但它们目前的能力仅仅高于新奇事物——这大约是十年前或二十年前移动电话和掌上电脑的水平。随着技术从军事应用和其他领域渗透下来，我们预计小型机器人的能力将显着提高。它们作为一个团队工作，拥有全面的技能；它们的模块化设计使它们能够根据特定任务进行定制；而且，最重要的是，它们很有趣。
[中断] 作者
罗伯特·格拉博夫斯基、路易斯·E·纳瓦罗-塞尔门特 和 普拉迪普·K·科斯拉 于 1999 年夏天开始共同致力于毫微机器人项目。格拉博夫斯基是 MITRE 公司的首席研究员。他曾在美国海军服役八年，从事核反应堆工作，并获得了卡内基梅隆大学的博士学位。他一生都在摆弄电子设备，仍然喜欢玩乐高积木和拆卸旧录像机。纳瓦罗-塞尔门特是卡内基梅隆大学机器人研究所的项目科学家，他在那里获得了博士学位。他的背景是工业自动化和控制系统；他曾经担任墨西哥蒙特雷科技与高等教育学院瓜达拉哈拉分校电气工程系主任。他是一位狂热的业余天文学家。科斯拉是卡内基梅隆大学工程学院院长，并且是美国国家工程院院士。他因开发出第一批直接驱动机械臂而闻名，这些机械臂现在已在大多数自动化工厂中使用。作者感谢毫微机器人团队的其他成员——克里斯·帕雷迪斯、本·布朗、柯特·贝雷顿和迈克·范德·韦格——他们的宝贵贡献。