90后科學(xué)家杜韜實(shí)現(xiàn)“海星”機(jī)器人

18 小時(shí)就能創(chuàng)建一臺(tái)機(jī)器人？

來(lái)自江蘇的 90 后科學(xué)家杜韜實(shí)現(xiàn)了，這是一款海星機(jī)器人（下稱 “海星”），外形酷似真實(shí)的海星。

他告訴 DeepTech，此前很多海底機(jī)器人因?yàn)橥庑纹娈悾谒聢?zhí)行探測(cè)任務(wù)時(shí)，往往會(huì)嚇到水底生物，而本次機(jī)器人的仿生造型，可以解決上述難題。

其中，杜韜和合作者們提出了快速制作和控制 “海星” 的軟件和硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

他們提出的硬件設(shè)以及利用 C++ 和 Python 開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法系統(tǒng)，能在 18 小時(shí)內(nèi)完成從制備、到仿真、再到系統(tǒng)識(shí)別和軌跡優(yōu)化 “海星” 的全過(guò)程。

當(dāng) “海星” 在水箱中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，相關(guān)實(shí)際性能數(shù)據(jù)會(huì)反饋到計(jì)算機(jī)模型中，并可得到進(jìn)一步優(yōu)化。以這種方式來(lái)回移動(dòng)，能在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出功能性產(chǎn)品。

此外，僅使用單個(gè)低功率執(zhí)行器，它就能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，通過(guò)四個(gè)腿中的肌腱運(yùn)動(dòng)，可給其帶來(lái)交替擠壓和腿部釋放，從而實(shí)現(xiàn)安靜且高效的游動(dòng)。

“海星” 是本次工作核心算法的硬件平臺(tái)，目前它主要由硅膠泡沫（silicone foam）、單個(gè)低功率電機(jī)、四條腿以及相連的肌腱組成。

“海星”前肢肌腱上連接了一個(gè)低功率電機(jī)，這些肌腱可以被擠壓和釋放，從而使機(jī)器人可以安靜地移動(dòng)并有效地在水中游動(dòng)。

制備 “海星” 時(shí)，先利用 CAD 設(shè)計(jì)軟件 OnShape 設(shè)計(jì) “海星” 身體，隨后制作一個(gè)模具，將硅膠泡沫灌注到模具中，定型后即得到 “海星” 身體。

在水中時(shí)，硅膠泡沫具備較好的彈性和浮力，使用本次研究中的新算法進(jìn)行優(yōu)化后，“海星” 在水中的移動(dòng)速度，比手工調(diào)試的控制器快四倍。

“海星” 每條腿的內(nèi)部有一根高強(qiáng)度魚(yú)線，你可能會(huì)好奇魚(yú)線是如何植入 “海星” 的，具體來(lái)說(shuō)首先要從每條腿的腳尖，朝著舵機(jī)方向插入一根中空的導(dǎo)管，導(dǎo)管中放有魚(yú)線，將導(dǎo)管抽出后，魚(yú)線即可被運(yùn)輸?shù)?“海星” 體內(nèi)。

進(jìn)去后，魚(yú)線一端固定在 “海星” 腳尖，另一端匯集到 “海星” 背上的舵機(jī)。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以同時(shí)收放四根魚(yú)線，從而同時(shí)收縮或伸直它的四條腿。

“海星” 飛速游動(dòng)是頭等目標(biāo)

在 “海星” 的固液耦合上，杜韜采用一種經(jīng)驗(yàn)公式，去建模它和水流之間的耦合，并使用可微仿真的工具，去微調(diào)建模時(shí)的參數(shù)。

研究主要目的，是讓 “海星” 游得越快越好。概括來(lái)說(shuō)，該任務(wù)的完成主要分為兩大步驟。

第一步是要對(duì)系統(tǒng)有較好的建模，即要了解機(jī)器人的基本信息，因此他先后測(cè)出機(jī)器人的體積、重量、密度和楊氏模量（衡量材料軟硬的單位）的大致范圍，用來(lái)對(duì)海星進(jìn)行建模。

圖 | 模型參數(shù)（來(lái)源：受訪者）

具體來(lái)講，是讓 “海星” 在實(shí)驗(yàn)中執(zhí)行簡(jiǎn)單的控制信號(hào)，并和水流做一些交互。獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，使用可微仿真工具，讓仿真中的 “海星” 物理模型再去執(zhí)行同樣的控制信號(hào)。

通過(guò)分別觀察仿真環(huán)境、和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)軌跡，本次算法能不斷調(diào)整建模參數(shù)，從而讓物理系統(tǒng)建模更加準(zhǔn)確。

可微仿真工具的好處在于，不僅能正向模擬出“海星”的運(yùn)動(dòng)軌跡，也能計(jì)算它和真機(jī)實(shí)驗(yàn)中軌跡的誤差值，并反向傳導(dǎo)誤差對(duì)于機(jī)器人參數(shù)的梯度。充分利用這些梯度信息就可以更快速、更高效地調(diào)整建模參數(shù)。

第二步是在建模的基礎(chǔ)上，求解軌跡優(yōu)化來(lái)提出新的控制信號(hào)。研究到這里，本該按下結(jié)束鍵，但杜韜打算多次迭代，借此形成循環(huán)從而提升模型猜測(cè)。

可讓機(jī)器人不斷迭代的算法

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，他的算法通過(guò)改進(jìn)對(duì)模型參數(shù)的估計(jì)，可做出新的控制信號(hào)，并部署在真機(jī)實(shí)驗(yàn)上。此時(shí) “海星” 就能執(zhí)行新的通訊信號(hào)，如此便可產(chǎn)出更多數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)一步改善對(duì)于模型的猜測(cè)和評(píng)估。

他告訴 DeepTech，該研究的重點(diǎn)在于算法，“海星” 只是驗(yàn)證算法成功與否的工具。相比傳統(tǒng)方法，最精彩的部分在于算法的逐步迭代過(guò)程。

首次迭代時(shí)，即使使用人工多次調(diào)試后的控制信號(hào)，“海星” 拼命游動(dòng)腿部也只能前進(jìn)一小段距離，哪怕收集到的數(shù)據(jù)再多、在仿真中把數(shù)據(jù)擬合得再好，也只是擬合了它在低速環(huán)境中的模型。

這在獲得可讓 “海星” 高速運(yùn)動(dòng)的模型方面，幾乎沒(méi)有任何幫助。因?yàn)椋昂Ｐ恰?在低水速和高水速情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、以及和水流的交互都不一樣。

而這樣迭代幾次后，“海星” 就能獲得更快的運(yùn)動(dòng)方法，這時(shí)便可搜集高水速時(shí)的數(shù)據(jù)，從而修正模型、讓其具備指揮機(jī)器人快速游動(dòng)的能力。

該研究的痛點(diǎn)在于：相比陸地機(jī)器人，由于水流、海水鹽度和浮力等變量，水下機(jī)器人更難設(shè)計(jì)，復(fù)雜的水運(yùn)動(dòng)動(dòng)力、及其快速 “破壞” 電機(jī)系統(tǒng)的威力，導(dǎo)致科學(xué)家們往往需要耗時(shí)幾周、甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能制備出水下機(jī)器人。

圖 | 相關(guān)數(shù)據(jù)（來(lái)源：受訪者）

由于每一次在真機(jī)實(shí)驗(yàn)中收集到的數(shù)據(jù)都十分珍貴，工程師們迫切需要好的算法來(lái)充分挖掘出這些數(shù)據(jù)里最有價(jià)值的信息。

無(wú)論在平靜水流、還是起伏波浪中，水下機(jī)器人與周圍流體之間的被動(dòng)相互作用，都比陸地機(jī)器人在穩(wěn)定地形上行走要復(fù)雜得多，因此非常難以創(chuàng)建水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

另外柔性機(jī)器人往往有成千上萬(wàn)的自由度，運(yùn)動(dòng)上難以被控制。而杜韜研發(fā)的算法，正是該問(wèn)題的 “克星”。

一言以蔽之，這項(xiàng)工作旨在通過(guò)有效仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的混合循環(huán)，來(lái)縮小機(jī)器人和現(xiàn)實(shí)的差距。

“海星” 未來(lái)：星星般閃耀

與剛性機(jī)器人相比，“海星” 更安全、更堅(jiān)固、也更靈活。對(duì)于需要在狹窄空間中移動(dòng)的環(huán)境，“海星” 的彈性，讓它能從碰撞中恢復(fù)。在相關(guān)場(chǎng)景中，更多學(xué)者們也開(kāi)始轉(zhuǎn)向柔性機(jī)器人。

目前，相關(guān)論文已發(fā)表在 IEEE RA-L 期刊上，標(biāo)題為《基于可微仿真的水下柔性機(jī)器人建模與控制》Underwater Soft Robot Modeling and Control with Differentiable Simulation。在本周的機(jī)器人國(guó)際會(huì)議 RoboSoft 2021 會(huì)議上，杜韜還對(duì)“海星”做了線上展示。

談及未來(lái)應(yīng)用，杜韜告訴 DeepTech，盡管他們只在海星上展示了他們的迭代算法，他和他的合作者都認(rèn)為這個(gè)算法可以被廣泛應(yīng)用在其他機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制上。

“系統(tǒng)識(shí)別和求解控制，是機(jī)器人研究中非常關(guān)鍵的步驟，而求解這兩個(gè)步驟的過(guò)程在不少機(jī)器人上都是高度耦合的，” 杜韜表示，“我們期待著今后在更多類型的機(jī)器人，比如設(shè)計(jì)出混合剛性關(guān)節(jié)和柔性肌肉的新型水下機(jī)器人，從而去復(fù)制‘海星’的成功?！?/p>

他補(bǔ)充稱，本次之所以選擇海星設(shè)計(jì)，是因?yàn)槠鋭?dòng)作簡(jiǎn)單而優(yōu)雅，并且通過(guò)擠壓和釋放其腿部來(lái)實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)。

目前，杜韜是麻省理工學(xué)院（MIT）CSAIL實(shí)驗(yàn)室的博士生。本次研究中，他和同樣來(lái)自 CSAIL 的博士后 Josie Hughes 作為共同第一作者，主導(dǎo)了“海星”的軟硬件開(kāi)發(fā)。

杜韜是江蘇人，本科畢業(yè)于清華大學(xué)軟件學(xué)院，后在斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系獲得碩士學(xué)位。2015 年，他來(lái)到 MIT CSAIL 實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位，并將于今年畢業(yè)，其研究方向包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

業(yè)內(nèi)知名機(jī)器人大牛——CSAIL 實(shí)驗(yàn)室主任丹妮拉·羅斯（Daniela Rus）教授，也是該論文的作者，作為世界權(quán)威的機(jī)器人專家，羅斯領(lǐng)導(dǎo)了多項(xiàng)柔性機(jī)器人和水下機(jī)器人的著名研究。

對(duì)于本次研究她表示，相比傳統(tǒng)剛性機(jī)器人，在和人交互時(shí)柔性機(jī)器人更安全，在復(fù)雜的未知環(huán)境中，后者也更加健壯和靈活。而本次“海星”機(jī)器人和海洋生物共處時(shí)不會(huì)驚擾到它們，如此便可在探測(cè)海洋的同時(shí)，保護(hù)好海洋精靈們。

未來(lái)，通過(guò)利用更快速的設(shè)計(jì)和控制算法，他們將設(shè)計(jì)更多樣的仿生柔性機(jī)器魚(yú)，來(lái)作為觀測(cè)站去近距離觀察海洋生物。

原文標(biāo)題：江蘇90后科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)“海星”機(jī)器人，有望用于海底探測(cè)！由MIT CSAIL出品，數(shù)小時(shí)內(nèi)完成制備 | 專訪

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