走进章鱼机器人:这条“八爪鱼”指引着软体机器人的未来

2016-08-17 10:32:54     作者:熊蒙      来源:雷锋网

机器人替你下海。

编者按:本文由雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)编译自IEEE Spectrum,原文作者为意大利圣安娜高等学校机器人实验室负责人、Octopus Integrating Project负责人Cecilia Laschi。

当我们实验室的学生第一次让章鱼机器人下水时,我很紧张。那时,阳光照射在地中海的碧波上,我望着机器人慢慢沉入水底,根据指令做出游泳、爬行等动作。当我命令它进入甲板下的一片狭小的空间时,它灵活地收缩着身体,轻而易举地钻进那片窄窄的间隙。

迄今为止,人类已经创造了很多机器人,它们大多数在工厂中,根据指令协助人类完成工作。但是,机器人需要走出这些环境,去探索更非主流的地方,比如海底或火星表面。而要在这些地方发光发热,机器人必须有一个灵活的身体,能够根据不同的环境作出调整。

这样一来,打造软体机器人显得格外重要。为了实现目标,我们将目光转向了动物领域。动物适应性强,身体通常由软体物质构成,身体组织可以随着环境的变化而变化。

因此,我发起了“章鱼综合项目(Octopus Integrating Project)”,联合欧洲、以色列等实验室致力于章鱼机器人的研究。

为什么要选择章鱼作为研究对象?

章鱼没有内外骨骼,其八只爪子能够伸向四面八方,能紧紧地缠绕物体,能自由伸长或缩短、变软或变硬。它非常灵活,能随着环境的变化自如地变化着身体。

我们想要打造一款像章鱼一样灵活的机器人,首先,我们需要学习章鱼爪的肌肉性静水骨骼,它是章鱼灵活身体的关键。在深究了章鱼的生物特征之后,我们的难点就是如何将这些生物知识转换为工程知识。我们雇佣了一位海洋生物学家来测量章鱼爪,能根据此制作计算机模型,以此来指导我们的实验。接着,我们开始试验软体发动机,来模仿动物肌肉。

要打造章鱼肌肉,主要有四个方法。

方法之一,便是使用一种叫做“电子动力聚合物(EAP)的物质来打造人造肌肉,这种物质一层软性材料,上下各有一个电极。当接上电流,EAP就变成了电容器,两个电极便收紧,将中间的软性材料挤到两边。欧洲的一支研究团队现在已经打造出了EAP制作的人造肌肉。

方法之二是使用液体制动器,它能自由地设计形状,灵活地安排电隔室,让机器人手臂自由弯曲,作出更复杂的动作。

方法之三甚是有趣:用颗粒材料(如沙粒,甚至咖啡),而不是液体,来制造机器人手臂。这种方法也可以实现机器人的自由收缩和伸展。

而我们最感兴趣的,是方法之四:使用一种叫做形状记忆合金 (SMA)的物质来打造人造肌肉。当温度升高时,SMA可以变成特定的形状,它还会“记住”这种形状。我们通过电流产生热量来加热SMA,让它变成真正章鱼的形状。同时,它能“记住”各种不同的形状,这样就能实现弯曲、变短、身长、抓取物体等动作。

我们知道,要成功打造一只章鱼机器人,并不是一件易事。但我们知道,如若成功,我们将会造福很多人。章鱼机器人的用途很广,它能帮助人类进行水下修理。当船底破损,修理将成为一件危险、困难、昂贵的事。这时,章鱼机器人将能完美地解决这个问题。

同时,章鱼拥有很高的智商。相比于其他的软体动物,章鱼的大脑和神经系统发展地更为完善,不过仍然有着自己的限制。因此,我们很惊讶它的八只爪子的独立活动范围能够如此之大。因此,我们的下一个挑战就是研究章鱼如何控制爪子,这样才能帮助我们打造高度灵活的章鱼机器人。

生物学家已经发现:章鱼的大脑并不会接受每一个微小的指令,它们大脑上的神经元比末梢区域系统的神经元要少得多。因此,生物学家相信章鱼的大脑能够对动作作出反应,而低端的动作中心能够控制更加精确的神经肌肉活动。实验显示:即使你控制章鱼大脑的神经元,它的爪子还是能够随着外界的刺激而作出反应。

我们还有一个更有趣的发现:章鱼的四肢并不需要完整的指令来作出相应的活动。因为经过数百万年的进化,章鱼的身体已经能够根据环境来作出对自己有利的反应。这种概念被机器人学家称为“形态计算( morphological computation)”,被人工智能研究者称为“天生智能(embodied intelligence)”。

我们从中得到启发:我们要设计出身体能够自动根据环境反应、作出某些动作的机器人,这样一来,极度简单的指令也能够让机器人完成复杂的任务。

我们对海洋动物的动作进行了研究,并模仿它们的运动形式来设计章鱼机器人。我们发现,海洋动物在控制每一个四肢的时候都经过了多个计算指令,这样看来,我们的章鱼机器人要控制八只爪子,需要作出大量的计算指令。对于一般的机器人来说,四肢的每一个自由动作需要一个制动器,但是我们的章鱼机器人拥有自由来应用控制策略。

我们决定尊重章鱼的进化特征,来打造不需要复杂控制指令的机器手臂。首先,我们制作了数学模型,来测试不同层面的手臂设计,包括运用材料的不同密度、坚硬度、形状、人造肌肉的放置位置等等,所有这些因素需要结合水下的环境来具体问题具体分析。它们会根据水温的变化作出何种反应?水深和水压会影响到它们的活动吗?洋流和漩涡会影响到它们吗?为了解答这些问题,我们在模型中加入了流体动力学因素。

于是,我们进一步做了实验。实验结果非常令人欣喜:要控制章鱼机器人非常简单,我们能够模仿真实海洋动物的活动方式来打造它。我们成功打造了一个章鱼机器人原型,用电缆来取代SMA,用硅树脂来打造章鱼爪,每一只爪子中包含一支钢制电缆,它能自动拉长或是缩短。爪子的每一个简单动作都能提供能量。

在我们设计章鱼机器人的过程中,我们进行了大量的成熟计算。但是当机器人真正开始行动时,我们发现它的构造其实很简单:只有一只简单的“大脑”(或是微型控制器)和八只爪子。它的每一个动作,都进行了形态学计算。

我们将原型叫做PoseiDrone,在它诞生之后,我们将它带到了地中海,研究了它在完成每一个任务时的能力,例如一边抓取着一个物体一边爬行,或是在游泳的过程中突然张开爪子。我们非常骄傲它能克服海浪的侵扰,还能顺利地完成任务。

Via:IEEE Spectrum

返回沙发首页  
沙发管家微信
扫描关注沙发管家微信 QQ群: 沙发网官方群 微博:

资讯评论

亲,你需要登录后才能进行评论喔!

还没有评论,快来抢沙发吧!

提示

热门设备安装方法 查看更多>>

最新设备

智能电视 / 盒子评测

安装指南

应用

热门专题