一群恐怖分子衝進一棟辦公樓，劫持了人數不明的人質。他們封鎖了入口，遮蓋了窗戶。外面沒有人能看到他們有多少人，攜帶了什麼武器，或者把人質關在哪裡。但是，一支特警隊突然衝進房間，在襲擊者甚至來不及拿起武器之前就抓住了他們。突擊隊員是如何獲得他們自信而果斷地行動所需的資訊的呢？
答案是一隊小型、協同工作的機器人。他們透過通風系統滲透到大樓內部，並在管道中系統地移動。一些機器人配備了麥克風來監聽對話，另一些機器人配備了小型攝像機，還有一些機器人配備了感測器來嗅探空氣中的化學或生物製劑。他們協同工作，將這些即時資訊無線電傳輸回當局。
這大致是美國國防高階研究計劃局 (DARPA) 在 1998 年向機器人研究人員提出的情景。他們的挑戰是開發微型偵察機器人，士兵可以將它們背在背上，像爆米花一樣撒在地板上。在國內，消防員和搜救人員可以將這些機器人從窗戶扔進去，讓它們四處巡視，尋找被困受害者或嗅探有毒物質。目前，這些情景仍然遠遠超出最先進水平。然而，微型機器人的願景已經引起了領先的機器人設計師的關注。現在的焦點正在從專注於少數幾個裝滿感測器的大型平臺（就像輪子上的瑞士軍刀）轉向構建由小型、輕便和簡單的機器人組成的艦隊。
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原則上，小人國機器人比它們笨重的同類具有許多優勢。它們可以爬過管道，檢查倒塌的建築物，並隱藏在不顯眼的角落裡。一組組織良好的機器人可以交換感測器資訊，以繪製從單個有利位置無法輕易理解的物體地圖。它們可以互相幫助以翻越障礙物或從跌倒中恢復。根據情況，團隊負責人可以派遣更多或更少數量的機器人。如果一個機器人發生故障，整個任務不會失敗；其餘機器人可以繼續執行任務。
但是，小型機器人需要一種新的設計理念。它們不像大型同類那樣擁有充裕的電力和空間，並且它們無法容納執行給定任務所需的所有元件。即使攜帶像攝像機這樣緊湊的東西也幾乎會讓小型機器人不堪重負。因此，它們的感測器、處理能力和物理強度必須分散在多個機器人之間，然後這些機器人必須協同工作。這樣的機器人就像蟻群中的螞蟻：單獨時虛弱且脆弱，但當它們聯合起來時，效率很高。
[中斷] 輪腿、高爾夫球和罐頭盒
研究人員已經採用了各種方法來解決製造這種規模的機器人的問題。有些人採用了生物學方法來模仿昆蟲和動物的屬性。例如，凱斯西儲大學的機器人設計師開發了一種模仿蟑螂的高度移動平臺。它使用輪子和腿 (“輪腿”) 的混合體來在不平坦的地形上疾馳。密歇根大學安娜堡分校的一個團隊提出了一種雙足機器人，其鉸接肢體的末端帶有吸盤，使其能夠像毛毛蟲一樣爬牆。
生物學不僅啟發了機器人的物理形狀，還啟發了它們的控制系統。麻省理工學院的機器人專家發明了高爾夫球大小的機器人，它們像螞蟻一樣覓食。它們使用簡單的光感測器來向彼此表達“情感”並集體做出決定。這類研究的靈感來自著名的機器人科學家羅德尼·A·布魯克斯的工作。在他率先提出的基於行為的控制演算法中，每個機器人都會對區域性刺激做出反應。沒有中央計劃，沒有指揮部隊的上校。相反，團隊的行動是個人之間相互作用的結果。儘管這種方法具有創新性，但在它可以結出果實之前，仍然存在許多問題。深思熟慮的任務需要深思熟慮的行動和深思熟慮的計劃——至少目前為止，湧現行為還不能可靠地提供這些。
在更深思熟慮的方面，明尼蘇達大學的研究人員開發了偵察兵，這種機器人可以像手榴彈一樣從窗戶發射出去。這些兩輪裝置形狀像罐頭盒，配備了攝像機，使用者可以透過遠端操作來控制它們。同樣，加利福尼亞州帕洛阿爾託的 PARC（前身為施樂 PARC）也創造了一種高度鉸接的蛇形機器人，使用者可以透過遠端影片來引導它。它實際上可以爬過障礙物和管道。然而，與偵察兵一樣，這些機器人目前缺乏足夠的本地感測能力，必須依靠人類操作員進行決策。這種缺陷使得它們難以大規模部署。
一些小型機器人平臺已經上市。在瑞士開發的冰球大小的機器人 Khepera 在對基於行為的控制感興趣的研究人員中很受歡迎。業餘愛好者也在試驗這項技術。加利福尼亞州隆波克的 Living Machines 公司推出了一款名為 Pocket-Bot 的微型可程式設計機器人。同樣，樂高 Mindstorms 是廣受歡迎的樂高玩具積木的擴充套件，它允許公眾構建和操作簡單的機器人。它們被用於科學專案和大學競賽中。但是，這些商業設計的感測和控制仍然非常初級，並且缺乏執行復雜任務的能力。
[中斷] 電力短缺
在卡內基梅隆大學，重點是靈活性。我們構建了一個由大約十幾個“毫微機器人”組成的團隊，每個機器人的邊長約為 5 釐米。在這個尺寸下，我們仍然可以使用現成的元件進行感測和處理，儘管我們必須定製設計電路板和控制器。每個機器人由三個主要模組組成：一個用於移動，一個用於控制，一個用於感測。移動模組位於底部。它的兩個電機驅動由小 O 形圈製成的履帶。目前的版本可以以大約每秒 20 釐米的最大速度在辦公室地板和地毯上移動，約為正常人步行速度的六分之一。隨著我們開發新的移動平臺，我們可以將它們卡入到位，而無需重新設計機器人的其餘部分。
中間模組提供處理和控制。當前的設計包含一個類似於 20 世紀 80 年代早期個人計算機中使用的 8 位微控制器。儘管無法與現代臺式計算機相提並論，但這些處理器仍然可以為機器人執行即時控制。位於頂部的感測模組包括用於測量到附近障礙物距離的聲納和近紅外感測器；用於檢測溫暖物體的中紅外感測器（如運動探測器中使用的感測器）；用於監視的攝像機；以及用於與其他機器人或基地通訊的無線電調變解調器。
也許對這些和其他小型機器人最嚴重的限制是電力。電池笨重且沉重。它們的擴充套件性不好：隨著尺寸的減小，電池達到一個閾值，在該閾值下，它無法提供移動自身重量所需的電力。我們毫微機器人上的兩個可充電鎳氫手機電池佔據了大約三分之一的可用空間。它們僅能為有限的感測器陣列提供足夠的電力，並且執行時間在 30 到 90 分鐘之間，具體取決於任務的複雜性。更大的電池會增加執行時間，但會擠佔必要的元件。小型機器人設計完全是關於妥協。速度、持續時間和功能與重量、尺寸和元件可用性競爭。
為了應對這些限制，我們為毫微機器人採用了兩種設計方法：專業化和協作。前者意味著機器人僅配備執行特定任務所需的足夠感測和處理能力，從而使其能夠最佳地利用可用空間和電力。在典型的任務中，一些毫微機器人負責繪製周圍環境的地圖。另一些機器人為人類操作員提供即時反饋，或者攜帶特定於該任務的感測器。為了完成任務，機器人必須協作。
[中斷] 我們在哪裡？
需要協作的一個重要任務是定位：確定團隊的位置。大型機器人可以奢侈地使用多種技術來確定其位置，例如全球定位系統 (GPS) 接收器、固定信標和視覺地標識別。此外，它們還具有將當前感測器資訊與現有地圖進行匹配的處理能力。
這些技術都不能可靠地用於微型機器人。它們的感測器範圍有限；毫微機器人聲納可以測量最遠約兩米的距離。它們太小而無法攜帶 GPS 單元。航位推算（透過測量輪速來跟蹤位置的技術）因其重量輕而受到阻礙。即使是像地毯的編織方向這樣看似無關緊要的事情也會極大地影響它們的運動，使里程計讀數不準確，就像汽車的里程錶在冰封的湖面上行駛時無法提供準確的距離一樣。
因此，我們不得不提出一種新技術：微型化的 GPS 版本。該技術不使用衛星，而是利用聲波來測量組中機器人之間的距離。除了無線電調變解調器外，每個毫微機器人還配備了一個超聲波感測器。為了確定距離，毫微機器人同時發射無線電脈衝和超聲波訊號，它們向各個方向輻射。其他機器人監聽這兩個訊號。以光速傳播的無線電波幾乎瞬間到達。聲音以大約每秒 340 米的速度移動，在幾毫秒後到達，具體取決於傳送訊號的機器人和接收訊號的機器人之間的距離。感測模組上的錐形金屬片將超聲波向下反射到感測器上，使機器人能夠檢測來自任何方向的聲音。該過程類似於透過測量閃電和雷聲之間的時間間隔來測量到逼近的風暴的距離。
透過交替其發射和監聽角色，機器人可以計算出它們之間的距離。每次測量大約需要 30 毫秒才能完成。團隊負責人（基地或更大的機器人，可能是部署毫微機器人的母機器人）收集所有資訊並使用三邊測量法計算機器人位置。三邊測量法類似於更廣為人知的三點定位法，不同之處在於它依賴於距離而不是羅盤方位來確定位置。在二維空間中，每個距離估計值都表明另一個機器人位於圍繞發射機器人的某個圓上。兩個或多個圓的交點標記了其他機器人的潛在位置 [參見第 37 頁的方框]。該演算法找到最能滿足所有圓的交點和距離測量的機器人排列。
使該過程複雜化的一件事是，機器人的不止一種排列可能與資料匹配。另一個原因是距離測量容易出錯和不確定。超聲波訊號會從地板和牆壁反射，從而導致距離讀數模糊不清。事實上，根據幾何形狀，波干涉可能會導致訊號完全消失。因此，我們開發了一種演算法，將超聲波測距與航位推算相結合，儘管航位推算存在問題，但它提供了足夠的附加資訊來消除歧義。該演算法估計測量誤差，並計算使總體誤差最小化的機器人位置集。
這種定位方法的優點是毫微機器人不需要固定的參考點即可導航。它們可以進入陌生的空間並自行勘測。在繪圖期間，一些選定的毫微機器人充當信標。這些機器人保持靜止，而其他機器人則四處移動，在繪製地圖和避開物體的同時測量它們相對於信標的位置。當團隊完全探索了信標周圍的區域後，機器人會切換角色。探索機器人將自己定位為信標，而上一組機器人開始探索。這種技術類似於兒童遊戲“跳跳蛙”，並且可以在沒有人為干預的情況下執行。
[中斷] 指揮鏈
障礙物為小型機器人提供了另一個協作理由。由於其尺寸，小型機器人容易受到我們生活中普遍存在的隨機雜物的影響。它必須處理岩石、泥土和散落的紙張。標準毫微機器人的離地間隙約為 15 毫米，因此鉛筆或樹枝可能會阻止它前進。為了克服這些限制，我們提出了一種新型的毫微機器人，它可以像火車車廂一樣連線在一起。這些新型毫微機器人每個長約 11 釐米，寬 6 釐米，看起來像微型第一次世界大戰風格的坦克。通常，它們獨立漫遊，並且足夠通用，可以越過小型障礙物。但是，當它們需要越過溝渠或攀爬樓梯時，它們可以連線起來形成鏈條。
使鏈條具有通用性的是毫微機器人之間的耦合關節。與火車車鉤或汽車上的拖車掛鉤不同，毫微機器人耦合關節包含一個強大的電機，該電機可以上下旋轉關節，並具有足夠的扭矩來抬起多個毫微機器人。為了爬樓梯，鏈條首先向上推抵樓梯的底部。然後，鏈條中心附近的毫微機器人之一將鏈條的前部向上懸臂。到達頂部的毫微機器人然後可以將較低的毫微機器人拉上來 [參見對面頁面的方框]。目前，此過程必須由人類遠端控制，但最終鏈條應該能夠自動攀爬樓梯。
研究人員的注意力已經開始從硬體開發轉向更好的控制系統的設計。重點將從少數個體的控制轉向數百或數千個個體的管理——這是一項根本不同的挑戰，需要來自經濟學、軍事後勤甚至政治學等相關領域的專業知識。
我們設想大規模控制的方式之一是透過層級結構。就像軍隊一樣，機器人將被分成由當地領導者控制的較小團隊。該領導者將對更高級別的權威負責。毫微機器人已經受到更大的坦克狀機器人的指揮，後者的奔騰處理器可以處理複雜的地圖繪製和定位計算。這些更大的機器人可以將一串毫微機器人像小鴨子一樣拖在身後，並在必要時將它們部署在感興趣的區域。它們本身會向我們團隊中更大的全地形車機器人報告，這些機器人配備了多臺計算機、攝像機、GPS 單元和數百公里的範圍。我們的想法是，更大的機器人會將較小的機器人部署在它們自己無法進入的區域，然後留在附近以提供支援和指導。
可以肯定的是，小型機器人還有很長的路要走。在少數幾個實驗室之外，沒有小型機器人團隊在建築物的大廳裡漫遊，尋找危險。儘管這些機器人的潛力仍然巨大，但它們目前的能力僅僅高於新奇事物——這大約是十年前或二十年前行動電話和掌上電腦的水平。隨著技術從軍事應用和其他領域滲透下來，我們預計小型機器人的能力將顯著提高。它們作為一個團隊工作，擁有全面的技能；它們的模組化設計使它們能夠根據特定任務進行定製；而且，最重要的是，它們很有趣。
[中斷] 作者
羅伯特·格拉博夫斯基、路易斯·E·納瓦羅-塞爾門特 和 普拉迪普·K·科斯拉 於 1999 年夏天開始共同致力於毫微機器人專案。格拉博夫斯基是 MITRE 公司的首席研究員。他曾在美國海軍服役八年，從事核反應堆工作，並獲得了卡內基梅隆大學的博士學位。他一生都在擺弄電子裝置，仍然喜歡玩樂高積木和拆卸舊錄影機。納瓦羅-塞爾門特是卡內基梅隆大學機器人研究所的專案科學家，他在那裡獲得了博士學位。他的背景是工業自動化和控制系統；他曾經擔任墨西哥蒙特雷科技與高等教育學院瓜達拉哈拉分校電氣工程系主任。他是一位狂熱的業餘天文學家。科斯拉是卡內基梅隆大學工程學院院長，並且是美國國家工程院院士。他因開發出第一批直接驅動機械臂而聞名，這些機械臂現在已在大多數自動化工廠中使用。作者感謝毫微機器人團隊的其他成員——克里斯·帕雷迪斯、本·布朗、柯特·貝雷頓和邁克·範德·韋格——他們的寶貴貢獻。