蕭簫 發(fā)自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

機(jī)器人的部件通信中斷后，還能正常做動作嗎？

這里的部件，指傳感器、通信總線、控制電路，是機(jī)器人運(yùn)動的核心。

現(xiàn)在，一群來自EPFL的科學(xué)家在觀察鰻魚后，得出結(jié)論：可以！

他們模擬鰻魚的結(jié)構(gòu)，造了個“通信中斷也能繼續(xù)運(yùn)動”的機(jī)器人，極大地提升了機(jī)器人的運(yùn)動能力。

研究已經(jīng)登上Science Robotics封面：一起來看看。

控制&傳感器中斷，也能做動作

通常來說，如果動物的脊髓 （中樞神經(jīng)系統(tǒng)）被截斷，就會出現(xiàn)對應(yīng)的肢體癱瘓。

即使是脊椎動物（如大部分魚類），切斷脊髓后也無法協(xié)調(diào)動作，運(yùn)動能力嚴(yán)重下降。

但魚類中的鰻魚，在被砍斷一半后，下半身還能做出游泳的動作。

△從砧板上溜走的一截鰻魚

這引起了科學(xué)家們的興趣：能否給機(jī)器人也整一個？

機(jī)器人通常全靠“大腦”（總控制系統(tǒng)）來控制動作，一旦總控信號中斷，就會導(dǎo)致全身“癱瘓”；如果掌握鰻魚的運(yùn)動技巧，就能讓運(yùn)動控制變得更簡單。

對鰻魚進(jìn)行分析后，研究人員發(fā)現(xiàn)了它的兩點(diǎn)特征：

其一，通過周圍神經(jīng)系統(tǒng)，來感知環(huán)境并協(xié)調(diào)運(yùn)動；其二，通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)，用一組神經(jīng)元（神經(jīng)振蕩器）產(chǎn)生規(guī)律的肌肉活動來抵御通信中斷。

根據(jù)這兩個特征，科學(xué)家們設(shè)計了一個波動式游動的“鰻魚”機(jī)器人。

首先，環(huán)境感知部分，即機(jī)器人的“周圍神經(jīng)系統(tǒng)”。

研究人員設(shè)計了一組由通信電路、帶有放大器的測壓元件和纖維板構(gòu)成的力學(xué)傳感器，作為機(jī)器人的“感應(yīng)皮膚”，用來感知水中的動力。

這組力學(xué)傳感器被磁鐵固定在機(jī)器人的外側(cè)，與相鄰模塊連接，最終與頭部相連，它會將信號反饋給神經(jīng)元，以此控制左右側(cè)“肌肉”的運(yùn)動。

每個模塊的頂部，還有一個浮動元件，用于運(yùn)動跟蹤。

力學(xué)傳感器和浮動元件，共同構(gòu)成了機(jī)器人的“皮膚”（圖中黃色防水布外圍的黑色部件），機(jī)器人通過它們感知到水流壓力，實(shí)現(xiàn)貼著障礙物游動、同時避免撞上障礙物的效果。

然后，控制運(yùn)動部分，即機(jī)器人的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。

這部分由10個伺服電機(jī)組成，每部分都是一個獨(dú)立電路，由搭載Linux系統(tǒng)的計算機(jī)、電池和被動連接模塊組成，構(gòu)成控制一段肌肉的系統(tǒng)。

各部分控制系統(tǒng)完全獨(dú)立，即使某一部分損壞，剩下的模塊也能根據(jù)傳感器實(shí)現(xiàn)規(guī)律的肌肉活動，就像節(jié)拍器共振一樣：

運(yùn)動起來非常有節(jié)奏感：然后，再用一層防水泳衣將“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”裹?。ㄍ鈧?cè)的黃色布料），系統(tǒng)就做好了。

這樣的“鰻魚”機(jī)器人，真能在控制系統(tǒng)等部件壞掉時，正常運(yùn)動嗎？

可貼墻游動，多次中斷也不停

研究人員在2米×6米×0.31米的水池里對機(jī)器人進(jìn)行了測試。

接受測試的結(jié)構(gòu)有4種，分別是無傳感器（CPG）、無耦合（前后部件無關(guān)聯(lián)）、無神經(jīng)振蕩器、全功能（論文所提結(jié)構(gòu)）。

下圖是人為短暫中斷不同部件的運(yùn)轉(zhuǎn)后，這幾種機(jī)器人速度下降的情況（圖A~P），其中橫軸表示中斷次數(shù)：從圖中來看，中斷類型分為4種：傳感器中斷、耦合中斷、神經(jīng)振蕩器中斷和三種部件全部中斷。

顯然，無論是三種部件全部中斷、還是其中一種中斷的情況下，這一結(jié)構(gòu)的機(jī)器人都要比其他幾種機(jī)器人架構(gòu)好得多。

其他類型的幾種機(jī)器人，在面臨多個部件中斷的情況下，次數(shù)超過9次后速度就已經(jīng)下降到0。

只有論文介紹的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在多部件中斷9次后，還能保持0.1m/s以上的速度。

這也表明，論文中提出的機(jī)器人即使在“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”（總控）和“周圍神經(jīng)系統(tǒng)”（傳感器）中只有一個起作用的情況下，也能保持幾乎不變的運(yùn)動速度。

只有在總控和傳感器同時、多次中斷的情況下，機(jī)器人的速度才會緩慢下降。

這項(xiàng)研究對于可重構(gòu)和模塊化機(jī)器人非常有用，也能用于搜救和環(huán)境監(jiān)測中，提高了機(jī)器人的魯棒性。

作者介紹

一作Robin Thandiackal，本科畢業(yè)于ETH（蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院），博士畢業(yè)于EPFL（洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院），目前在哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后工作。

共同一作Kamilo Melo，曾經(jīng)在EPFL進(jìn)行博士后工作，此后創(chuàng)立機(jī)器人公司KM-RoBoTa，同時仍然與EPFL進(jìn)行學(xué)術(shù)合作。

其他的8名作者，則分別來自EPFL、法國南特大學(xué)數(shù)字科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LS2N）、日本東北大學(xué)、舍布魯克大學(xué)。

除了研究鰻魚機(jī)器人以外，Kamilo Melo的公司還研究過抗摔抗掉落的蛇形機(jī)器人：

論文地址：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabf6354

參考鏈接：

[1]https://spectrum.ieee.org/swimming-robot-eel-epfl

[2]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/past-members/thandiackal/

[3]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/melo/

— 完 —

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原標(biāo)題：《鰻魚劈斷后下半身還能運(yùn)動，機(jī)器人：拿來吧你丨Science子刊封面》

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