自主机器人，《Nature》总述！

自主机器人(Autonomous robots)，包括由资料和结构构建的驱动、能量、感觉和操控体系，这些资料和结构纷歧定是为多功用而规划和集成的。但是，由机器人尽力仿照的动物和其他生物，在所有组织层面都包括高度杂乱和彼此相关的体系，这些体系能够一起履行多种功用。

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近来，康奈尔大学Robert F. Shepherd等人将研讨天然中的体系集成和多功用性怎么激起自主机器人的新范式，即所谓的“具身动力(Embodied Energy)”。大多数不受捆绑的机器人运用电池来贮存能量并为其操作供给动力，而最近动力贮存技能的前进使得化学或电力动力能够直接嵌入用于制作机器人的结构和资猜中，而不需求独自的电池组。总述首要强调了在自主机器人开展的布景下呈现的具身动力的研讨发展，以“Towards enduring autonomous robots via embodied energy”为题宣布在最新一期的《Nature》。

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图1. 现代机器人中的能量、操控和驱动体系

在曩昔的二十年里，经过开发多功用、具身动力体系来进步机器自动化的尽力虽小，但在不断增加。但是，大多数机器人依然包括独立的动力、驱动、感觉和操控模块，每个模块都针对单个使命进行了优化(图1)。例如，在本田公司的ASIMO机器人中，关节中的驱动器、躯干中的操控模块和背包中的电池之间有显着的区别，这种孤立的模块之间缺少协同效果和功率，在活体生物(例如图中的章鱼)中能够观察到这种协同效果和功率，而活体生物能够接连或根据需求搜集、贮存和发电。经过在多功用体系配置中分配动力，如图1中立异机器人的发展及其相应的框图所示，能够扩展其杂乱功用的规模，一起进步其运转功率。

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图2. 能量贮存和转化构成具身动力规划进程的结构

能量的贮存和转化

具身动力规划的一个重要方面便是怎么在整个机器人体系中精确地搜集、贮存、使用和收回这些能量。大多数无约束机器人的规划都是根据标准、分量和功率之间的简略权衡。但是，经过拓展资料或子体系的功用规模，并在它们之间分配很多预算，能够推翻传统的动力预算和规划办法。动力、传感、核算和操控将在很大程度上依赖于机械体系。

图2详细说明晰在规划具身动力时需求考虑的重要概念。这儿举例说明晰几个机器人具身动力体系，每个体系都代表了一种特定的能量存储和转化办法。虽然在机械体系中，能量贮存能够有多种形式，但作者在这儿只描绘了自主机器人能够使用的五种最常见的类型:电、机械、化学、磁和热。在传统体系中，这些类别有几个是堆叠的(例如，电化学电池或热化学储热)，当兼并不同的能量存储和转化技能时，能够使用这一特性。存储能量的体系在功率，资料组成，乃至它们所触摸的物质状况(例如，固态电池，液体氧化复原流电池和气态氢燃料电池)方面都有很大的差异。相同，能量转化机制(例如，电磁马达、内燃机和液压活塞)的规划也非常杂乱。

此外，作者介绍了现有的技能，这些技能能够将不同类型的存储能量转化为机器人的机械驱动。详细而言，这些技能分别是：

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

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

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

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

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

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图3. 具身储能和能量换能器组合的多功用Ragone图。

能量的收成、贮存、转化和开释这几个方面的结合供给了一个共同的视角，经过它咱们能够看到自主和智能的进化。类似地，这些考虑也促进机器人专家从头考虑怎么规划、编程和布置他们的机器人。由提出的具身能量范式所发生的规划准则，有或许发生新的多功用能量存储体系，进步机器人耐力和适应性的多目标优化。该研讨的前沿是集成猜测多标准规划、多功用资料、数字化制作和机器人技能的发展。