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一堆嗡嗡的蜜蜂可以教工程师如何使用机器人材料

2021年08月18日 大庆机械设备网

一堆嗡嗡的蜜蜂可以教工程师如何使用机器人材料

我和我的同事聚集在一片宁静的草地中的一个小棚子里,准备把开关拨动,开始一个看似平凡的过程:用电动机摇动木板。但是在这个木板下,我们有大约10,000只蜜蜂,它们在一个巨大的脉冲锥中相互依附。

当我们共享激动的最后一眼时,成群的,实际上是一堆活物开始像果冻一样左右摇摆中国机械网okmao.com。

谁在他们的头脑中会摇动蜂群?我和我的同事们正在研究群体,以加深我们对这些必不可少的传粉媒介的理解,并了解我们如何在机器人材料领域充分利用这种理解。

许多蜜蜂造出一群

我们研究中的蜂群是欧洲蜜蜂群落繁殖周期的一部分。当蜜蜂的数量超过可用资源时,通常在春季或夏季,一个蜂群就会分为两组。

一群人和一位女王飞走,寻找一个新的永久位置,而其余的蜜蜂留在后面。

在此过程中,重新安置的蜜蜂暂时形成了高度适应的蜂群,可以悬挂在树枝上, 屋顶,栅栏或汽车上。

悬吊时,它们没有嵌套来保护它们不受元素影响。挤在一起使他们能够将对较冷的外部环境的热量损失降至最低。他们还需要实时适应温度变化,雨水和风-所有这些都可能破坏他们作为一个单元共享的脆弱保护。

蜜蜂群适应不同的树枝形状。

该群比单个蜜蜂的大小大几个数量级。一只蜜蜂可能会与其附近的相邻蜜蜂协调其活动,但它当然不能直接与该群远端的任何蜜蜂协调。

因此,面对强风时,它们如何保持机械稳定性?这项测试要求整个蜂群几乎同时协调工作?

我和我的同事Jacob Peters,Mary Salcedo,L。Mahadevan和我设计了一系列实验来解决这个问题,这使我们回到有意摇晃的人群中。

个体行动,整个群体反应

当我们沿群的水平轴摇动时,蜜蜂调整了群的形状,并在几分钟之内变成了一个更宽,更稳定的圆锥体。但是,当运动是垂直的时,形状会保持恒定,直到达到临界力,该临界力会导致虫群破裂。

检查实验设置,金字塔形蜂群从板的底部悬挂。

蜜蜂为什么对水平摇晃而不是对垂直摇晃做出反应?这一切都是关于蜜蜂如何通过“牵手”建立联系的过程。

事实证明,垂直摇动不会像水平摇动那样破坏这些配对。使用计算模型,我们发现,靠近蜂群附着在板上的蜜蜂之间的结合力要比群体远端蜜蜂之间的结合力更大。蜜蜂可以感觉到这些不同程度的拉伸,并将它们用作定向信号向上移动并使蜂群扩散。

换句话说,蜜蜂从键伸展较少的位置移动到它们伸展较大的位置。这种行为反应以提高单个蜜蜂所承受的平均负担为代价,改善了整个群体的集体稳定性。结果是一种“机械利他主义”,因为一只蜂忍受了应变,从而受益于蜂群的更大利益。

蜜蜂授课的工程课

作为研究动物行为的训练有素的物理学家,我对这种在自然界中发展起来的解决方案着迷。

令人惊奇的是,蜜蜂可以创造出由它们许多单独的身体组成的多功能材料,而这种材料可以在没有全局指挥者告诉他们所有操作的情况下进行变形。没有人负责,但是他们一起保持了种群的完整。

蜜蜂实际上牵着手来创造密集的蜂群结构。两只蜜蜂之间的键伸展多少是重要信息,它们影响着它们为蜂群谋福利的行为。

如果工程师可以从自然界中汲取这些解决方案和经验教训并将其应用于建筑物,该怎么办?

除了一束嗡嗡的蜜蜂,您是否可以想象一束相互依赖的嗡嗡声机器人实时创建自适应结构?我可以设想庇护所,这些会在飓风或建筑材料等自然灾害面前迅速部署,这些建筑材料可以感知地震的振动并以与这些群对风的分支做出反应相同的方式做出响应。

本质上,这些蜜蜂创造了一种具有多种能力的自主材料,它们被嵌入自身之中。群可以根据对键伸展的程度来感知附近环境中的信息。从某种意义上说,它可以计算出哪些区域具有更大的键伸缩性。它可以致动,意味着朝着更多伸展的方向运动。

这些特性是多功能材料和机器人材料领域中的长期愿望。想法是结合价格合理的机器人,每个机器人都具有最少的机械组件和传感器,例如M块。他们在一起可以感知自己的本地环境,与邻近的机器人进行交互,并自行决定下一步要移动到哪里。正如迪士尼电影《大英雄6》中年轻的机器人手Hiro 所说,“这项技术的应用是无限的。”

蜂群表现出新的智能,表现为一个单元。

目前,这仍然是科幻小说。但是,研究人员对蜜蜂的自然解决方案了解得越多,我们就越接近实现这个梦想。