厉害了！仿生植物机器人能在火星给人类造一片大森林？

2023-08-14 03:08

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21世纪第一个十年，仿生机器人的研发成为最新的热门趋势。工程师们将蝾螈、蜻蜓、章鱼、壁虎、蛤蜊等生物的优势特点“移植”到机器人身上，来完成探路、潜水、飞行、采样等人类所不能完成、或者说不好完成的任务，形成了繁荣多样的仿生机器人家族。而意大利生物学家出身的工程师Barbara Mazzolai提出了一个思路完全不同的方向：以植物为灵感，建立仿生机器人生态王国。

缠绕在植物茎上的卷须状仿生机器人。

图源：IIT-Istituto Italiano di Tecnologia and NASA

模仿植物这个想法令很多人大惑不解。要知道，机器人的最大特点之一就是“运动”，而植物的运动是肉眼难见的。两种完全不同的东西怎么好放在一起搞？

但事实上，植物很不简单。它们并非是静止不动的。

通常，我们会被热带雨林里郁郁葱葱的树木、花园里绚烂的花朵所吸引。但是，这些只是它们生命中最漂亮的一面，而不是最聪明的一面。一直以来，我们对于植物的认识都是很片面的。不论是繁衍后代的美丽花朵、能从太阳光汲取能量的绿叶，还是从地下土壤吸取养分的根系……植物们在生存进化过程中都有着大智慧。

就拿看似丑陋的根来说，它们一直藏在黑暗的地下，却默默无闻地做着“幕后英雄”：抓牢土壤，寻找养分，是效率最高的“挖掘机”。和仿蠕虫、鼹鼠等人造钻头不同，它们只需要很少的能量就能刺穿土壤。所以，植物根系本身就是一个奇妙的地下探索系统。

图源：pixabay.com

Mazzolai很早就对生物研究着迷，其求学之路是跨学科研究的典型。她最早毕业于意大利比萨大学，学习的是海洋生物专业。由于机器人实在太过热门，她对生态系统监测产生了兴趣，并拿到了微工程博士学位。在此过程中，她得以进入比萨圣安娜大学生物机器人先驱Paolo Dario的团队，并以植物为灵感，开辟了一条环境传感机器人技术研究的新思路。

Mazzolai回忆，最早的灵感迸发来自于她与欧洲航天局（ESA）小组合作的一次思想碰撞。该小组负责探索有趣但未投入应用的创新技术。在头脑风暴中，她意识到，太空工程师们正在“纠结”一个问题——在其他星球执行采样任务的机器人如何更好地锚定在星球表面？

在大多数情况下，不论是月球、火星、遥远的彗星还是小行星，它们的重力都比地球弱。航天器或火星车的重量不足以将其牢牢地固定在地面上，只能使用钉叉、钻头等固定。然而随着时间的推移，如果土壤松动，这些设备就将失去作用。比如，2014年抵达67P/Churyumov–Gerasimenko彗星的“菲莱号”，在下降着陆时未能有效固定，并从地面弹起，最终只遗憾地执行了部分勘测任务。

“菲莱号”

图源：DLR, CC-BY 3.0，CC BY 3.0 de

Mazzolai认为，这个问题其实在数亿年前就已经被植物们完美解决了。因为植物根系有两项功能：抓住土壤和吸收养分。其中的锚定作用最重要，否则植物会倒塌死亡。

在2007年至2008年间，Mazzolai他们在为欧洲航天局进行的一项可行性研究中，提出了一种仿照植物根系开发的航天器锚定系统：航天器以硬着陆的方式“砸”向行星表面，通过撞击在地表撞出一个坑，并将“种子”顺势“播种”到土壤深处。在那里，机器“根系”通过将水泵入一系列模块化的小腔室开始生长，这些腔室膨胀开来并给土壤施加压力，以便紧紧抓住土壤。然而这种方法比较适合松散而精细的土壤。机器根系还必须能够感知地下环境，避开坚硬的基岩。所以，Mazzolai认为，火星是太阳系中最适合开展这项实验的地方——这颗红色星球的表面重力和大气压力较低（分别为地球上的1/3和1/10），并且地表土壤以沙质为主。

然而当时，欧洲航天局并不打算推进开发这类仿植物探测器，主要也是没有相关的技术支持，所以Mazzolai的想法并未能付诸实践。所以她转而考虑，也许太空以外的其他领域可能会对这个想法感兴趣。

2012年，Mazzolai转投意大利理工学院。她说服欧盟委员会资助她开展一项为期三年的研究，研发一种代号为Plantoid的仿生植物机器人。这类机器人没有预定义的形状，可以在土壤中生长和移动，由独立的单元组成，可以自我组合并做出统一的决定。她说：“这是一片未知的领域。我们需要考虑从制作材料到传感控制的一切内容。”

在研发中，该项目面临着两大挑战：在硬件方面，如何创造一个能自动生长的机器人；在软件方面，如何让根系收集和共享信息，并利用信息做出集体决策。Mazzolai和她的团队首先解决了硬件问题。他们将机器人的根部设计为柔性、铰接的圆柱形结构，其驱动机构可以使其尖端向不同方向移动；其生长机制依靠一台微型3D打印机，可以在根尖后面连续添加材料，从而将其推入土壤，而不是最初为欧洲航天局项目设计的伸长机制。

它是这样工作的：一根塑料线缠绕在机器人中心杆中的卷轴上，并由电机拉向尖端。在尖端内部，另一个电机将电线推入一个由电阻器加热的孔中，加热后将其推出，粘在尖端后面。根部唯一始终保持原状的部分——尖端安装在滚珠轴承上，独立于结构的其余部分不断旋转调整，金属板迫使细丝绕在它周围，就像缠吉他弦一样。在“生长”过程中，新的塑料层不断将旧的塑料层推离尖端并粘在上面。冷却后的塑料层会变硬，并形成一个坚硬的管状结构，即使接下来的沉积将其推到金属板上方，该结构也会保持原状。

图源：https://plantoidproject.eu/

想象一下，把一根绳子绕在一根棍子上，缠绕几秒钟后绳子就变硬了。然后你可以把棍子再推一点，把更多的绳子绕在它周围，用同样的短棍做一个越来越长的管子作为临时支撑。尖端是机器人唯一的运动部件；根部的其余部分只向下延伸，不断地将尖端轻轻推进土壤里。

Mazzolai还介绍，机器根只从顶端对土壤施加压力与传统的钻头有着根本的不同。传统的钻头会产生很大的破坏性。相反，根会寻找土壤的裂缝来生长，只有在实在没办法时才会施加压力来钻得更深。

在团队的设计中，这个植物机器人的树枝上应该长满了柔软的折叠叶子，这些叶子会轻轻地向光照和潮湿的方向移动，就像真正的植物一样。虽然Plantoid的叶子还不能将光转化为能量。但洛桑联邦理工学院的化学教授、世界上被引用最多的科学家之一Michael Graetzel已经开发出了可以将光转化为电能的“人造树叶”——一种透明可折叠的薄膜，其中充满了合成叶绿素，能够转换和储存光中的电能。如果有朝一日这种人造树叶可以应用到Plantoid机器人，就能为这株机器植物提供源源不断的动力。

plantoid项目一经发布便引起了机器人界的大量关注。因为它集合了众多技术热点——生长、形状变化、集体智能，并且在未来有广泛的开发应用前景。特别是环境监测，机器人根系可以测量土壤中不断变化的化学物质浓度，尤其是有毒化学物质；或者它们可以在干旱土壤中寻找水、石油和天然气。它们还能用来开发新的医疗设备，比如能在体内移动而不会损伤组织的更安全的内窥镜等。

与此同时，她还启动了另一个仿生植物机器人项目——Growbot。其以攀缘植物的爬行为灵感，不用建造坚实的树干载体，用更少的能量借助外界环境来生长和移动。它们非常善于利用光、化学信号和触觉等来寻找环境中可固定的地方，并计算是否能够支撑住自己全部的重量。Growbot未来不仅要克服重力，还要能够寻找空隙并附着在其他结构上。这个新项目可能会诞生全新的机器人探索者，可以在洞穴或水井等黑暗空间环境中工作。

图源：NASA

虽然未来仿生植物机器人的应用领域非常广阔，但是Mazzolai仍然坚持自己最初的想法：用于太空任务中其他星球的开发。虽然一开始出师不利，但是现在，她希望能够再次与航天机构合作。

仿生植物机器人不仅可以对土壤进行采样，还可以施肥让土壤更肥沃，如果人类要在火星上建设基础设施，那么机器人工厂必定能够发挥重要作用。Mazzolai说，随着机器植物的生长，植物的根系和枝桠甚至能够形成一片成规模的森林，可以容纳复杂的水管、电线、通信电缆等，创造出一个稳定的结构空间，为人类探索定居火星创造庇护所。