自主机器人，《Nature》综述！

自主机器人(Autonomous robots)，包括由材料和结构构建的驱动、能量、感觉和控制系统，这些材料和结构不一定是为多功能而设计和集成的。然而，由机器人努力模仿的动物和其他生物，在所有组织层面都包含高度复杂和相互关联的系统，这些系统能够同时执行多种功能。

近日，康奈尔大学Robert F. Shepherd等人将研究自然中的系统集成和多功能性如何激发自主机器人的新范式，即所谓的“具身能源(Embodied Energy)”。大多数不受束缚的机器人使用电池来储存能量并为其操作提供动力，而最近能源储存技术的进步使得化学或电力能源可以直接嵌入用于制造机器人的结构和材料中，而不需要单独的电池组。综述主要强调了在自主机器人发展的背景下出现的具身能源的研究进展，以“Towards enduring autonomous robots via embodied energy”为题发表在最新一期的《Nature》。

图1. 现代机器人中的能量、控制和驱动系统

在过去的二十年里，通过开发多功能、具身能源系统来提高机器自动化的努力虽小，但在不断增长。然而，大多数机器人仍然包含独立的动力、驱动、感觉和控制模块，每个模块都针对单个任务进行了优化(图1)。例如，在本田公司的ASIMO机器人中，关节中的驱动器、躯干中的控制模块和背包中的电池之间有明显的区分，这种孤立的模块之间缺乏协同作用和效率，在活体生物(例如图中的章鱼)中可以观察到这种协同作用和效率，而活体生物可以连续或根据需要采集、储存和发电。通过在多功能系统配置中分配能源，如图1中创新机器人的进展及其相应的框图所示，可以扩大其复杂功能的范围，同时提高其运行效率。

图2. 能量储存和转换形成具身能源设计过程的框架

能量的储存和转换

具身能源设计的一个重要方面就是如何在整个机器人系统中准确地收集、储存、应用和回收这些能量。大多数无约束机器人的设计都是基于尺寸、重量和功率之间的简单权衡。然而，通过拓宽材料或子系统的功能范围，并在它们之间分配大量预算，可以颠覆传统的能源预算和设计方法。动力、传感、计算和控制将在很大程度上依赖于机械系统。

图2详细说明了在设计具身能源时需要考虑的重要概念。这里举例说明了几个机器人具身能源系统，每个系统都代表了一种特定的能量存储和转换方法。虽然在机械系统中，能量储存可以有多种形式，但作者在这里只描述了自主机器人可以利用的五种最常见的类型:电、机械、化学、磁和热。在传统系统中，这些类别有几个是重叠的(例如，电化学电池或热化学储热)，当合并不同的能量存储和转换技术时，可以利用这一特性。存储能量的系统在效率，材料组成，甚至它们所接触的物质状态(例如，固态电池，液体氧化还原流电池和气态氢燃料电池)方面都有很大的差异。同样，能量转换机制(例如，电磁马达、内燃机和液压活塞)的设计也非常复杂。

此外，作者介绍了现有的技术，这些技术可以将不同类型的存储能量转化为机器人的机械驱动。具体而言，这些技术分别是：

· 电到机械转换(Electrical to mechanical transduction)

· 机械到机械转换(Mechanical to mechanical transduction)

· 化学到机械的转换(Chemical to mechanical transduction)

· 磁力到机械的转换(Magnetic to mechanical transduction)

· 热到机械的转换(Thermal to mechanical transduction)

图3. 具身储能和能量换能器组合的多功能Ragone图。