自主机器人(Autonomous robots)

在科技前沿，自主机器人正在以前所未有的方式模仿自然界的复杂系统。这些机器人不再是由单一、孤立的模块组成，而是融合了驱动、能量、感觉和控制系统，呈现出一种全新的面貌。这种融合，就像自然界中的生物系统一样，形成了一个高度复杂且相互关联的网络，能够在多个层面上执行功能。

以康奈尔大学的Robert F. Shepherd团队为例，他们正在研究如何从自然的系统集成和多功能性中汲取灵感，来推动自主机器人的新范式发展。这种新的理念被称为“具身能源”（Embodied Energy）。传统的机器人依赖电池来储存和提供能量，但现在的能源储存技术正在改变这一局面。通过将化学或电力能源直接嵌入机器人的结构和材料中，科学家们可以消除对独立电池的需求。这一重大进展已经在《Nature》杂志上发表。

现代机器人的能量、控制和驱动系统已经发生了革命性的变化（如图1所示）。过去，机器人通常由独立的动力、驱动、感觉和控制模块组成，每个模块都针对单一任务进行优化。这种分割方式缺乏协同作用和效率。与此相反，自然界中的生物体，如章鱼，能够连续地采集、储存和发电。通过整合这些功能到机器人的多功能系统中，我们可以极大地提高其运行效率和功能范围。

具身能源设计的核心在于如何在整个机器人系统中有效地收集、储存、应用和回收能量（如图2所示）。大多数机器人的设计仍然受到尺寸、重量和功率之间权衡的限制。通过拓宽材料和子系统的功能范围，并在它们之间分配能源预算，我们可以打破这一传统模式。动力、传感、计算和控制将深深依赖于机械系统的创新。

图2详细阐述了设计具身能源时需要考虑的关键要素。例如，作者介绍了几种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。这些能量存储系统之间的差异在于效率、材料组成以及它们所接触的物质状态。同样地，能量转换机制的设计也非常复杂。为了将不同类型的存储能量转化为机器人的机械驱动，需要一系列的技术转换过程。

这些技术包括电到机械转换、机械到机械转换、化学到机械转换、磁力到机械转换以及热到机械转换等。这些转换过程的结合提供了一个独特的视角，让我们重新思考如何设计、编程和部署机器人。由具身能量范式所驱动的设计原则，可能会产生新的多功能能量存储系统，从而实现机器人的高耐力和适应性。这一研究领域正在不断融合预测多尺度设计、多功能材料、数字化制造和机器人技术的进展。

自主机器人正在经历一场革命。通过模仿自然界的复杂系统并融合各种技术和材料，我们正朝着更加智能、高效和耐用的机器人前进。这一领域的进展不仅将改变我们对机器人的认知，还将为各种应用开辟新的可能性，从工业制造到医疗保健，从太空到救援行动。