巨型机器人昆虫即将进入农场

"地面控制机器人公司(Ground Control Robotics)的足式机器人除草效率可能超过人类。"
 
**细长蜿蜒的形态**——自动物诞生以来（或者说大体如此），这一策略在动物王国中可谓大获成功。对生物学原理始终怀有"羡慕之情"的机器人专家们早已注意到这一点，并花费数十年时间试图打造仿生机器人版的蛇、蝾螈、蠕虫等生物。虽然取得了一定程度的成功，但我们所见的大多数机械蛇类机器人主要应用于救灾等领域——这往往是人们在拥有新型运动策略机器人却找不到其他明确实际用途时的常规选择。
 
佐治亚理工学院的Dan Goldman在仿生机器人运动学领域深耕多年，事实证明，这段时间恰好足够开发出一款兼具细长蜿蜒形态与可行商业应用场景的机器人。Goldman新创立的亚特兰大初创企业"地面控制机器人公司（GCR）"，正在将本质上属于巨型机器人节肢动物的创新技术引入农业作物管理领域。



视频请关注B站：https://www.bilibili.com/video/BV1qWjCzCEze/

"我还不完全确定该如何称呼它——或许‘巨型机械蜈蚣’是最容易达成共识的描述？但Goldman告诉我们，他并不认为自己的机器人是仿生学产物，而更倾向于称其为生命系统的‘物理机器人’模型。‘我认同对动物进行细致研究的方法，’Goldman说，‘我们利用这些模型来验证生物学原理，通过它们发现新现象，再将所得洞见融入能够走出实验室的强化机器人中。’"
 
千足虫机器人用于作物管理  
 
从复杂程度来看，这款机器人本身并不算特别复杂——至少以机器人通常的复杂度标准衡量。它由一个搭载传感器的头部和多个通过电缆连接的相同模块组成，每个模块配备几台驱动腿部的电机。理论上，这赋予了机器人大量自由度，但实际运用中，通过相对简单的控制技术就能获得惊人的良好性能。
 
"千足虫机器人与蛇形机器人本质上都属于'游泳者'，"高盛（Goldman）解释道。关键区别在于，添加腿足扩展了这类"游泳机器人"的移动环境维度。通过特定的抬腿落腿节律，机器人能产生类似流体推进的推力，使其在运动中更有效地推离障碍物，从而提升运动的一致性和可靠性。"我们创新了一种机械结构，将驱动装置从机器人中轴线移至两侧，通过往复缆线传动实现动作。"高盛补充道，"当参数调试恰当时，机器人会从刚性状态转变为单向柔顺状态。这种状态下会出现近乎魔法的效果——无需复杂智能，它就能在任意复杂环境中游刃有余地穿行。"
 
这类机器人专为复杂农业环境设计。试想需要传感监测和杂草管控的农田，但请摒弃整齐作物排列的平缓坡地想象。那种规整农田本就适合规模化自动化作业，已有众多机器人公司涉足该领域。真正的挑战在于多年生作物——例如需要连年采收的酿酒葡萄——这类作物常生长在陡峭多石的斜坡上，形成错杂难控的生长环境。正是这类特殊场景，为GCR公司的机器人提供了独特的商业化契机，使其从学术探索转化为具有市场潜力的创新解决方案。



蜿蜒摆动的触须状结构赋予机器人跨越超自身高度障碍的能力。
地面控制机器人公司
 
“机器人学研究人员往往将机器人视为某种理论或原理的一次性演示工具，”Goldman解释道，“一旦让这玩意儿成功运行，就提交给ICRA（国际机器人与自动化会议），然后转向下一个项目。但我们不同，必须从一开始就内置稳健性，因为这些机器人本身就是实验物理工具。”Goldman实验室的核心研究方向正是利用这些机器人物理模型，系统性地测试并（理想情况下）解析动物的运动机制。“正是在这个探索过程中，我们逐渐意识到这些机器人不仅能作为实验室的新奇装置，”Goldman强调，“它们完全有潜力进化为具备实用价值的最小可行产品。”
 
自动杂草控制解决方案  
根据GCR（Global Crop Robotics）的研究，目前对于蓝莓、草莓或葡萄等低矮灌木或藤蔓类植物周围的杂草控制尚无自动化解决方案。农民不得不花费巨额资金雇人爬行在植株下方检查健康状况并手动除草。GCR估计，美国加利福尼亚州的蓝莓田除草成本可能高达每英亩300美元甚至更高，而草莓田的情况更糟糕，有时每英亩超过1000美元。这不仅是一份令人不悦的工作，且越来越难找到愿意从事此类劳动的人力。对于不想使用农药的农民而言，现有选择有限，而GCR认为其研发的“机器蜈蚣”或许能填补这一空白。  
 
对于任何新型机器人移动系统，一个显而易见的疑问是：是否能用更常规的方案实现类似功能？例如，如今四足机器人已相当成熟，为何不直接采用？或者干脆使用轮式机器人？GCR团队负责人Goldman解释道：“我们希望让机器人尽可能贴近作物作业，同时避免笨重的大型机器对农田造成破坏。”这本质上与复杂环境中的尺寸矛盾有关：足够大的机器人虽能无视障碍物，却可能损伤作物；而小型机器人虽能避免破坏农田，却会因环境复杂性陷入控制难题。  
 
当机器人遇到的障碍物尺寸与其自身相当时，控制难度会急剧上升。“地形反作用力几乎无法预测，”Goldman指出，这意味着机器人的移动机制会被环境噪声主导。传统思路是尝试建模这些噪声及其引发的动力学变化，再设计控制策略，但GCR发现了一种更简单的解决方案——增加腿的数量。“通过增加腿的数量，我们可以在无需任何传感的情况下实现可靠运动。”  
 
这种设计的另一优势在于扩展性：为机器人添加更多腿的成本远低于开发四足机器人等复杂系统。GCR的每台机器人预计价格远低于外界想象——可能在千美元量级。这是因为腿部模块本身成本较低，且其核心智能更多依赖机械设计而非传感器或算力。该项目的愿景是让一群分散式“机器蜈蚣”在农田中全天候工作：初期专注于侦察（这一功能已能创造显著价值），未来则通过机械颚（甚至激光）物理清除杂草，最终以低于其他方案的总体成本解决农业痛点。



最终，这些机器人将以集群形式自主运行，还可能应用于灾难应对等其他领域。
地面控制机器人公司
 
目前，地面控制机器人公司（GCR）正与美国佐治亚州的一位蓝莓种植户和一位葡萄园主合作开展试点项目，计划在未来几个月内优化机器人的移动能力和传感性能。显然，这项技术未来有望拓展至救灾（真正意义上的）甚至军事领域，不过Goldman表示，不同环境可能需要调整肢体结构或完全收起肢体。  
 
我十分欣赏GCR选择从一项更具挑战性但潜力巨大的应用场景切入。我们很少能见到如此直接地将前沿机器人研究成果转化为商业产品的案例，尽管前路必然充满困难，但我已经迫不及待地将自家后院菜园列入了等候名单。