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仿生机器人:大自然教我们打造最好的机器人
导语:在大自然中,优雅的工程解决方案比比皆是,而机器人领域的专家们正在努力解开它们的秘密。
在大自然中,优雅的工程解决方案比比皆是,而机器人领域的专家们正在努力解开它们的秘密。我和守卫用了5分多钟才穿过了利用二战时期的仓库改造的建筑,先要通过迷宫般昏暗的走廊和海绵状的轨道舱,然后穿过满是太空船骨架的实验室,最终才到达作业台,美国海军正在这里建造机器人松鼠。这种机器人松鼠的全称是中尺度机器人运动计划(MeRLIn),它可被视为啮齿怪物。到今年春天完工时,这种机器人重约9斤到20斤。

MeRLIn由矩形管和第十代狗关节腿组成,然后安装在滑动铝支柱上。旁边的深蓝色3D打印模块显示其完成时的状态:无头的四腿机器,体型与约克郡梗相当。但是当这个项目的工程师启动它进行演示时,我看到他们为何喜欢将MeRLIn打造为松鼠形态了。虽然它使用小型马达和液压驱动活塞,但它却能跳得非常高。

生物崛起



MeRLIn只是最近从动物身上找到灵感而开发出的机器人之一。动物王国充斥着许多聪明的感应和运动例证,而在电池驱动、动力有限的自动机器人世界,效率才是关键。例如模仿袋鼠的跳跃能力,可以帮助机器人实现功耗和性能之间的理想平衡:每跨出一步,这些有袋动物的后肢都会提供强大的储存能量,使得袋鼠在能量消耗较少的状态下长途旅行。



在最具创新性的机器人设计不断涌现的今天,生物学为其提供了巨大支持。看看加州大学伯克利分校的Salto,它从非洲跳高婴猴身上获得灵感。而弗吉尼亚大学的mantabot,则是模仿切萨皮克湾牛鼻魟研制的。很容易理解这样做的原因。从生物身上获得的启发在设计方面存在明显优势,特别是涉及到那些人类很难适应和完成的任务时。

从微小的苍蝇到深海鱼类甚至微生物(有些燃料电池由微生物化学驱动),大自然都在以非常有效的方式对生物进行修改和调整,以便它们适应各种环境。数百万年的进化使得动物们能够飞行、跳跃、行走以及游泳,在无形光谱中进行感知。此外,它们还有我们可能至今仍未发现的更多能力。

但是如今正在建造的生物机器人远非动物的机械复制品,它们是这些优雅生物解决方案发展的方向。现在,我们需要解析这些生物策略,并将它们的主要本质分解出来,以利用它们来实现我们的目标。科学家和工程师们建造这些能够更好移动的组件、能够深入思考的处理器以及能够精确检测的传感器,然后将它们整合成为真正有用、可批量完成难以实现的任务的方案。

前期挑战



如果MeRLIn看起来让人觉得很熟悉,的确如此。这个项目的首席调查员格伦·亨肖(Glen Henshaw)说,事实上,MeRLIn从其他互联网知名机器人身上获得灵感,比如Boston Dynamics的L3、Big Dog以及麻省理工学院的Cheetah。海军研究实验室的工程师们希望能够研发出体型更小、更安静以及更灵巧的机器人,它不需要两个年轻魁梧的海军陆战队士兵抬着它来检查潜在危险。但是开发MeRLIn并非简单地将机器人缩小,以便其能放进士兵的背包中。它还个需要理解特定步态功能的过程,为何这些步态适合不同的地形,以及如何制造能够学习适应和选择正确步态的机器人。

在MeRLIn的作业台上,控制工程师乔·海耶斯(Joe Hays)向电脑中输入几个测试指令,让机器人的腿部抽动和猛然拉动。在他去除支撑铝柱后,MeRLIn的单腿就可以支撑住砖头大小的身体。随后,控制权交给液压控制系统,随着闪电般的痉挛,merRLin的腿弹跳到1米高的空中,然后被重新引导回垂直金属轨道上。重复这个过程3次,机器人在最后一次强力跳跃后撞到了防护罩的顶部,随后重重摔在地上,腿部断裂。亨肖说:“坦率地说,有很多我们还不知道的动物运动方式。我们真的不了解神经肌肉系统,我们正尝试建造某些不知道应该如何行走的东西。”



这个团队也在研究水力学方面的一些问题,但利用自适应算法已经发现了良好的成功模式,这种算法以每毫秒1次的速度探测并纠正硬件电路中的不确定性。他们认为,它有望在几个月内从地面跳到桌子上。在宾西法尼亚大学,在丹·科迪茨切克(Dan Koditschek)的指导下,艾维克·德(Avik De)与加文·肯尼利(Gavin Kenneally)设计的Minitaur是最新的超小型、轻量化的四足机器人。Minitaur重约6公斤,可以跳跃步态前进。但是当你看到它爬楼梯、翻围墙以及跳跃解锁的视频,钟爱可能迅速变成怀疑。

德和肯尼利通过使用自由摆动、直接驱动的腿部代替传统齿轮驱动腿部,大幅削减这种机器人的身体。马达作为反馈传感器与机器人的软件相连,检测和调整扭矩,每秒可进行1000次。结果机器人可以缓慢或快速跳动、爬楼梯、跳起来、摆动腿部,然后钩住门把手将其打开。虽然它还远未实现自动化,并且缺少能让它自由活动的传感器和控制系统,但Minitaur独特、可调弹簧高跷式的行动表明,即使没有强大的驱动机制,依然可实现灵活性。它是由市场上购买的零部件组装的。



德说:“显然为这些人安装腿部有足够的动机,但当前的技术状态还不够成熟,而且非常昂贵。”德显然也指Boston Dynamics的Atlas机器人,尽管其能力更强,但成本昂贵,技术复杂,很难仿制。他说:“我们想要制造其他人也能利用的机器人,以便于他们能够在自己的应用中尝试。”

蛇形方案



霍维·乔塞特(Howie Choset)承认自己很怕蛇。但是出人意料地是,他最著名的作品却几乎都呈现蛇形。乔塞特是美国卡内基-梅隆大学副教授,自从攻读研究生以来就在研究蛇形机器人,并取得一系列成就。他主管卡内基-梅隆大学旗下机器人研究所,这个实验室中的许多正在开发的创造性功能都是从蛇身上获得灵感的。他还是最近新推出的《Science Robotics》期刊总编,并编写了有关机器人运动原理的教科书。在繁忙之余,乔塞特还创办了2家公司Hebi Robotics和Medrobotics。其中,后者主要研究先进的内窥镜手术工具Flex Robotic System,2015年已经获得FDA批准使用。

乔塞特曾为Flex Robotic System的灵感是否来自蛇进行辩解,他称机器人的蛇形是基于人类内心空间的曲折而设计的。但是其他人最近的工作显然是通过观察蛇,并模仿它们的行动开发机器人,特别是通过与佐治亚州理工学院物理学家丹·戈德曼(Dan Goldman)合作,后者主要研究生物力学,通过从螃蟹、海龟、蟑螂、弹涂鱼以及沙鱼身上获得灵感设计机器人。

乔塞特也承认,他的研究曾受到仿生机器人先驱之一罗伯特·福尔(Robert Full)的影响,后者是加州大学伯克利分校下属Poly-Pedal实验室负责人。通过研究蟑螂如何移动,壁虎如何爬上垂直墙壁,福尔、乔塞特以及其他专家设法将这些秘密归纳成通用设计原则,而这些原则可应用于新的机器人设计方案中。乔塞特说:“我们应该复制生物学吗?不,我们需要询问生物学家,我们想要的是最好的设计原则,并将其投入应用。”



乔塞特、戈德曼以及Zoo Atlanta的约瑟夫·门德尔松(Joseph Mendelson)共同研究响尾蛇的运动方式,最终将其剧烈的扭动运动归纳为一系列的变形波。将这些知识应用到蛇形机器人项目中,乔塞特的团队能够让他们的机器人爬上沙堆,这在此前是不可能完成的任务。了解蛇如何改变体形以适应周围环境也让乔塞特开发出新的蛇形机器人,它可以缠绕柱子和进入门楣内侧,他设想这种设计可能被用于探索非常危险的内部情况,比如核电站或难以进入的考古遗址中。

乔塞特说:“事实上,生物是如此的复杂,我只希望能够将其机制应用到我们的机器人中。但是我们并非要复制动物拥有的能力及其复杂性,我们希望建立拥有更大发展潜力的机制和系统。”乔塞特自己取得的进步和学生们取得的成就与发现,被相当偶然地应用到开发到机器人的领域中。他说:“进化是盲目的,也没有转折点,只有一系列的发展。从外部看来,它们就像是取得了重大突破。”

关键路口



很多时候,工程师们不了解生物学原理,这就需要工程师和生物学家进行合作。在芝加哥大学,生物学家马克·韦斯特尼特(Mark Westneat)正研究隆头鱼,并与海军展开合作,促使他们开发出在水下移动缓慢却非常灵活的机器人WANDA,可被用于帮助检查船体、码头以及石油钻井等。

20多年前,高速摄影是个重要的研究课题,当时韦斯特尼特刚刚开始进行隆头鱼成像研究,此后海军对他的研究也产生兴趣。在恒定电流的流动池中,韦斯特尼特称其为“鱼儿跑步机”,隆头鱼在那里开心的游动,只利用胸鳍就能在流动池中保持在固定位置上,而高速摄像机可捕捉到其运动的每个细节,每秒速度达到1000帧。

结合生物学家对隆头鱼进行解剖获得的详细知识,比如鱼鳍如何附在肌肉上、鳍膜中神经末梢如何传递应力和张力等,这些摄影能够帮助科学家们深入了解隆头鱼如何通过在水中扭动身体、拍打水流推进自己。这种能力可让隆头鱼保持在原地徘徊,身体不被水流冲走。WANDA项目首席工程师杰森·葛德尔(Jason Geder)说,这种能力让隆头鱼成为新式灵活水下设备的理想模型。他解释称:“传统螺旋桨或助推器驱动的水下设备没有这种可操作性,或者转弯过大。而隆头鱼是非常好的鱼类模型,因为如果我们要想在水下设备中心附上刚性外壳,我们可以利用这种胸鳍运动获得相似的性能。”



韦斯特尼特认为,新的3D摄影能力可进一步加强研究。他说:“对于鱼儿来说,这攸关生存或死亡。而对于我们来说,更好地理解效率意味着我们会获得更好的动力。我们真的想要模仿薄膜底层的骨骼结构和机械性能,看看我们是否可以得到超高的效率。”

对于研究人员来说,博物馆的生物收藏是另一个还未被充分利用的丰富资源。以史密森博物馆为例,这里有近60万种脊椎动物标本。而弗吉尼亚理工大学的罗尔夫·穆勒(Rolf Müller)正在这种优势,他从蝙蝠身上获得灵感开发无人机。利用博物馆中蝙蝠耳朵和鼻子的3D扫描,穆勒已经制造出类似结构的飞行机器人。他说:“那里的抽屉里收集有数以百万计的样本,你可以迅速访问。”他邀请博物馆专业人员和研究人员帮助在全国各地推进类似的仿生研究。

无论是流动池中的鱼还是躺在抽屉中的样本,将它们从数据变成有用形式依然存在挑战。韦斯特尼特说:“典型的工程师需要规格,但生物学家可能会交给他们解剖图。”直到亲自开始某些工程会议,韦斯特尼特才意识到自己的工作可提供鱼儿运动的机械数据,这些运动可被转换成电机功率、力量以及数据,工程师们用它们开发更好的机器。他说:“这些都是自然选择在发挥作用,但它们也可让自动车辆变得不同。”

返回学校



学习、记忆以及采用都存在挑战。让我们重新回到海军改造仓库,MeRLIn团队依然在致力于解决小型化问题。但是他们都意识到,它们设想的机器人若没有学习、记忆以及适应能力,还不算完整。亨肖不在实验室工作的时候,会在家中养羊。他说,观察新出生的羊羔蹒跚学步也强调了人工复制这个过程的难度。他说,没人真正理解这个过程,羊羔需要不断调整它们的运动,以便随着成长快速适应身体变化。他的团队正采用这种策略编写软件,可让他们改变MeRLIn的步态。

另外,亨肖也在参加其他项目,帮助开发源自生物的学习系统。他展示了视频,显示机器腿将球踢进球门中的过程。经过3次编程,腿部可自动踢球78次,它能系统性地选择自己的目标,并追踪其成功和失败。经过进一步细化并应用到MeRLIn这样的机器人身上,这类代码可能让行走机器人更容易适应自己不同的有效载荷或腿长。

亨肖表示:“许多项目都有自己的方程式,以通过实时的大数学方程帮助找出优化重力中心或运动的方案。这种方法很有用,但它并不完全属于生物学。我不能说为踢球机器人编写的算法正发生在大脑中,但它看起来似乎是必然要进行的事情。人类通过实践学习爬树和地球,而非数值优化。”

但亨肖补充说,深度学习和访问收集到的知识很可能加速这个进程,然而硬件还不够健壮或依然很小,没有适合的东西能适应小型化的MeRLIn。他说:“如果你想要这些小机器人,那么我们不必对算法做出太大改进,而是努力开发运行它们的硬件。否则,你会发现电脑、电池都太大了,小型机器人根本无法高效工作。”

新兴市场



生物提供的创新身体平台和运动策略的捷径,也可能有助于使从生物身上借用灵感的机器人在经济上变得更加可行。乔塞特并非唯一创建公司来推进其发明投入实际应用的学者,事实上,由挪威科技大学机器人学教授克里斯汀·派特森(Kristin Ytterstad Pettersen)资助的Eelume,目前正推销自己的机器人游泳蛇,以用于水下探索和检查任务。德和肯尼利创办的Ghost Robotics公司也在出售Minitaur。

大型私人企业也正参与到这个领域中来。Boston Engineering的船舶检测机器人BioSwimmer已经进入最后现场演示阶段。这种机器人不仅从金枪鱼身上获得灵感,其整个外部躯体都是基于1.5米长的蓝鳍金枪鱼设计的,这条鱼是该公司在沃尔瑟姆的办公室附近捕获的。就像金枪鱼那样,BioSwimmer推进器的动力源自尾部,让机器人前半部分安装各种传感器和有效载荷。他们的目标不是模仿金枪鱼,而是利用这种动物的效率和高性能。

Boston Engineering先进系统团队主管迈克·卢弗(Mike Rufo)表示,设计的生物方面没有那么容易打造出来,但它也不会额外增加难度。卢弗宣称,该公司正建造BioSwimmer(1.5米长、45公斤重),类似项目成本约为100万美元,而BioSwimmer的成本仅与类似体型的车辆差不多。但灵感源自金枪鱼推进策略提供的运动效率让它使用标准动力源时可运行更长时间。



卢弗说:“总的来说,在我们打造仿生机器人的前进路上还有许多技术障碍,但生物灵感也同样提供了机会,让我们可解决那些直接挑战,或在某种程度上减轻这些挑战带来的影响,并提高性能。举例来说,尽管电池技术取得了令人兴奋的进步,但在我们的平台上,你能将多少动力注入小型机器人身上?如果你能解决系统的效率问题,也许电池的影响就不会太大。在这方面,生物灵感可发挥巨大作用。”不过,卢弗认为这样的机器人还不常见,除了国防应用外,至少还需要5到10年时间才能普及。

在我们日常生活中出现不那么令人毛骨悚然的机器人助手前,我们还需要克服许多障碍。过去几年,这个领域已经取得了巨大进步,生物学和进化相结合的目标也日益清晰,我们更为关注生物强大的适应能力和执行能力。韦斯特尼特说:“有时候,我看着这些水下机器人,它们似乎依然显得笨拙,但那是因为我习惯了看到优雅的动物穿过珊瑚礁。而认为工程师和生物学家可以联手研究机器人,让它们可以自己跳进水中执行任务,越来越不令人感到惊讶。这个领域发生的一切都令人感到兴奋!”

(本文来源于网易科技)
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