模仿秀：“大自然教我們做最好的機(jī)器人”

電子發(fā)燒友早八點(diǎn)訊：4月27日消息，據(jù)PCMag.com報(bào)道，在大自然中，優(yōu)雅的工程解決方案比比皆是，而機(jī)器人領(lǐng)域的專家們正在努力解開它們的秘密。

我和守衛(wèi)用了5分多鐘才穿過(guò)了利用二戰(zhàn)時(shí)期的倉(cāng)庫(kù)改造的建筑，先要通過(guò)迷宮般昏暗的走廊和海綿狀的軌道艙，然后穿過(guò)滿是太空船骨架的實(shí)驗(yàn)室，最終才到達(dá)作業(yè)臺(tái)，美國(guó)海軍正在這里建造機(jī)器人松鼠。這種機(jī)器人松鼠的全稱是中尺度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)計(jì)劃(MeRLIn)，它可被視為嚙齒怪物。到今年春天完工時(shí)，這種機(jī)器人重約9斤到20斤。

MeRLIn由矩形管和第十代狗關(guān)節(jié)腿組成，然后安裝在滑動(dòng)鋁支柱上。旁邊的深藍(lán)色3D打印模塊顯示其完成時(shí)的狀態(tài)：無(wú)頭的四腿機(jī)器，體型與約克郡梗相當(dāng)。但是當(dāng)這個(gè)項(xiàng)目的工程師啟動(dòng)它進(jìn)行演示時(shí)，我看到他們?yōu)楹蜗矚g將MeRLIn打造為松鼠形態(tài)了。雖然它使用小型馬達(dá)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞，但它卻能跳得非常高。

生物崛起

MeRLIn只是最近從動(dòng)物身上找到靈感而開發(fā)出的機(jī)器人之一。動(dòng)物王國(guó)充斥著許多聰明的感應(yīng)和運(yùn)動(dòng)例證，而在電池驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力有限的自動(dòng)機(jī)器人世界，效率才是關(guān)鍵。例如模仿袋鼠的跳躍能力，可以幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功耗和性能之間的理想平衡：每跨出一步，這些有袋動(dòng)物的后肢都會(huì)提供強(qiáng)大的儲(chǔ)存能量，使得袋鼠在能量消耗較少的狀態(tài)下長(zhǎng)途旅行。

在最具創(chuàng)新性的機(jī)器人設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)的今天，生物學(xué)為其提供了巨大支持?？纯醇又荽髮W(xué)伯克利分校的Salto，它從非洲跳高嬰猴身上獲得靈感。而弗吉尼亞大學(xué)的mantabot，則是模仿切薩皮克灣牛鼻魟研制的。很容易理解這樣做的原因。從生物身上獲得的啟發(fā)在設(shè)計(jì)方面存在明顯優(yōu)勢(shì)，特別是涉及到那些人類很難適應(yīng)和完成的任務(wù)時(shí)。

從微小的蒼蠅到深海魚類甚至微生物(有些燃料電池由微生物化學(xué)驅(qū)動(dòng))，大自然都在以非常有效的方式對(duì)生物進(jìn)行修改和調(diào)整，以便它們適應(yīng)各種環(huán)境。數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化使得動(dòng)物們能夠飛行、跳躍、行走以及游泳，在無(wú)形光譜中進(jìn)行感知。此外，它們還有我們可能至今仍未發(fā)現(xiàn)的更多能力。

但是如今正在建造的生物機(jī)器人遠(yuǎn)非動(dòng)物的機(jī)械復(fù)制品，它們是這些優(yōu)雅生物解決方案發(fā)展的方向。現(xiàn)在，我們需要解析這些生物策略，并將它們的主要本質(zhì)分解出來(lái)，以利用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)?？茖W(xué)家和工程師們建造這些能夠更好移動(dòng)的組件、能夠深入思考的處理器以及能夠精確檢測(cè)的傳感器，然后將它們整合成為真正有用、可批量完成難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)的方案。

前期挑戰(zhàn)

如果MeRLIn看起來(lái)讓人覺得很熟悉，的確如此。這個(gè)項(xiàng)目的首席調(diào)查員格倫·亨肖(Glen Henshaw)說(shuō)，事實(shí)上，MeRLIn從其他互聯(lián)網(wǎng)知名機(jī)器人身上獲得靈感，比如Boston Dynamics的L3、Big Dog以及麻省理工學(xué)院的Cheetah。海軍研究實(shí)驗(yàn)室的工程師們希望能夠研發(fā)出體型更小、更安靜以及更靈巧的機(jī)器人，它不需要兩個(gè)年輕魁梧的海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵抬著它來(lái)檢查潛在危險(xiǎn)。但是開發(fā)MeRLIn并非簡(jiǎn)單地將機(jī)器人縮小，以便其能放進(jìn)士兵的背包中。它還個(gè)需要理解特定步態(tài)功能的過(guò)程，為何這些步態(tài)適合不同的地形，以及如何制造能夠?qū)W習(xí)適應(yīng)和選擇正確步態(tài)的機(jī)器人。

在MeRLIn的作業(yè)臺(tái)上，控制工程師喬·海耶斯(Joe Hays)向電腦中輸入幾個(gè)測(cè)試指令，讓機(jī)器人的腿部抽動(dòng)和猛然拉動(dòng)。在他去除支撐鋁柱后，MeRLIn的單腿就可以支撐住磚頭大小的身體。隨后，控制權(quán)交給液壓控制系統(tǒng)，隨著閃電般的痙攣，merRLin的腿彈跳到1米高的空中，然后被重新引導(dǎo)回垂直金屬軌道上。重復(fù)這個(gè)過(guò)程3次，機(jī)器人在最后一次強(qiáng)力跳躍后撞到了防護(hù)罩的頂部，隨后重重摔在地上，腿部斷裂。亨肖說(shuō)：“坦率地說(shuō)，有很多我們還不知道的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)方式。我們真的不了解神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，我們正嘗試建造某些不知道應(yīng)該如何行走的東西?！?/p>

這個(gè)團(tuán)隊(duì)也在研究水力學(xué)方面的一些問題，但利用自適應(yīng)算法已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了良好的成功模式，這種算法以每毫秒1次的速度探測(cè)并糾正硬件電路中的不確定性。他們認(rèn)為，它有望在幾個(gè)月內(nèi)從地面跳到桌子上。在賓西法尼亞大學(xué)，在丹·科迪茨切克(Dan Koditschek)的指導(dǎo)下，艾維克·德(Avik De)與加文·肯尼利(Gavin Kenneally)設(shè)計(jì)的Minitaur是最新的超小型、輕量化的四足機(jī)器人。Minitaur重約6公斤，可以跳躍步態(tài)前進(jìn)。但是當(dāng)你看到它爬樓梯、翻圍墻以及跳躍解鎖的視頻，鐘愛可能迅速變成懷疑。

德和肯尼利通過(guò)使用自由擺動(dòng)、直接驅(qū)動(dòng)的腿部代替?zhèn)鹘y(tǒng)齒輪驅(qū)動(dòng)腿部，大幅削減這種機(jī)器人的身體。馬達(dá)作為反饋傳感器與機(jī)器人的軟件相連，檢測(cè)和調(diào)整扭矩，每秒可進(jìn)行1000次。結(jié)果機(jī)器人可以緩慢或快速跳動(dòng)、爬樓梯、跳起來(lái)、擺動(dòng)腿部，然后鉤住門把手將其打開。雖然它還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且缺少能讓它自由活動(dòng)的傳感器和控制系統(tǒng)，但Minitaur獨(dú)特、可調(diào)彈簧高蹺式的行動(dòng)表明，即使沒有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，依然可實(shí)現(xiàn)靈活性。它是由市場(chǎng)上購(gòu)買的零部件組裝的。

德說(shuō)：“顯然為這些人安裝腿部有足夠的動(dòng)機(jī)，但當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)還不夠成熟，而且非常昂貴?！钡嘛@然也指Boston Dynamics的Atlas機(jī)器人，盡管其能力更強(qiáng)，但成本昂貴，技術(shù)復(fù)雜，很難仿制。他說(shuō)：“我們想要制造其他人也能利用的機(jī)器人，以便于他們能夠在自己的應(yīng)用中嘗試。”

蛇形方案

霍維·喬塞特(Howie Choset)承認(rèn)自己很怕蛇。但是出人意料地是，他最著名的作品卻幾乎都呈現(xiàn)蛇形。喬塞特是美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)副教授，自從攻讀研究生以來(lái)就在研究蛇形機(jī)器人，并取得一系列成就。他主管卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)旗下機(jī)器人研究所，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的許多正在開發(fā)的創(chuàng)造性功能都是從蛇身上獲得靈感的。他還是最近新推出的《Science Robotics》期刊總編，并編寫了有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理的教科書。在繁忙之余，喬塞特還創(chuàng)辦了2家公司Hebi Robotics和Medrobotics。其中，后者主要研究先進(jìn)的內(nèi)窺鏡手術(shù)工具Flex Robotic System，2015年已經(jīng)獲得FDA批準(zhǔn)使用。

喬塞特曾為Flex Robotic System的靈感是否來(lái)自蛇進(jìn)行辯解，他稱機(jī)器人的蛇形是基于人類內(nèi)心空間的曲折而設(shè)計(jì)的。但是其他人最近的工作顯然是通過(guò)觀察蛇，并模仿它們的行動(dòng)開發(fā)機(jī)器人，特別是通過(guò)與佐治亞州理工學(xué)院物理學(xué)家丹·戈德曼(Dan Goldman)合作，后者主要研究生物力學(xué)，通過(guò)從螃蟹、海龜、蟑螂、彈涂魚以及沙魚身上獲得靈感設(shè)計(jì)機(jī)器人。

喬塞特也承認(rèn)，他的研究曾受到仿生機(jī)器人先驅(qū)之一羅伯特·福爾(Robert Full)的影響，后者是加州大學(xué)伯克利分校下屬Poly-Pedal實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。通過(guò)研究蟑螂如何移動(dòng)，壁虎如何爬上垂直墻壁，福爾、喬塞特以及其他專家設(shè)法將這些秘密歸納成通用設(shè)計(jì)原則，而這些原則可應(yīng)用于新的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案中。喬塞特說(shuō)：“我們應(yīng)該復(fù)制生物學(xué)嗎?不，我們需要詢問生物學(xué)家，我們想要的是最好的設(shè)計(jì)原則，并將其投入應(yīng)用。”

喬塞特、戈德曼以及Zoo Atlanta的約瑟夫·門德爾松(Joseph Mendelson)共同研究響尾蛇的運(yùn)動(dòng)方式，最終將其劇烈的扭動(dòng)運(yùn)動(dòng)歸納為一系列的變形波。將這些知識(shí)應(yīng)用到蛇形機(jī)器人項(xiàng)目中，喬塞特的團(tuán)隊(duì)能夠讓他們的機(jī)器人爬上沙堆，這在此前是不可能完成的任務(wù)。了解蛇如何改變體形以適應(yīng)周圍環(huán)境也讓喬塞特開發(fā)出新的蛇形機(jī)器人，它可以纏繞柱子和進(jìn)入門楣內(nèi)側(cè)，他設(shè)想這種設(shè)計(jì)可能被用于探索非常危險(xiǎn)的內(nèi)部情況，比如核電站或難以進(jìn)入的考古遺址中。

喬塞特說(shuō)：“事實(shí)上，生物是如此的復(fù)雜，我只希望能夠?qū)⑵錂C(jī)制應(yīng)用到我們的機(jī)器人中。但是我們并非要復(fù)制動(dòng)物擁有的能力及其復(fù)雜性，我們希望建立擁有更大發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)制和系統(tǒng)?！眴倘刈约喝〉玫倪M(jìn)步和學(xué)生們?nèi)〉玫某删团c發(fā)現(xiàn)，被相當(dāng)偶然地應(yīng)用到開發(fā)到機(jī)器人的領(lǐng)域中。他說(shuō)：“進(jìn)化是盲目的，也沒有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，只有一系列的發(fā)展。從外部看來(lái)，它們就像是取得了重大突破?！?/p>

關(guān)鍵路口

很多時(shí)候，工程師們不了解生物學(xué)原理，這就需要工程師和生物學(xué)家進(jìn)行合作。在芝加哥大學(xué)，生物學(xué)家馬克·韋斯特尼特(Mark Westneat)正研究隆頭魚，并與海軍展開合作，促使他們開發(fā)出在水下移動(dòng)緩慢卻非常靈活的機(jī)器人WANDA，可被用于幫助檢查船體、碼頭以及石油鉆井等。

20多年前，高速攝影是個(gè)重要的研究課題，當(dāng)時(shí)韋斯特尼特剛剛開始進(jìn)行隆頭魚成像研究，此后海軍對(duì)他的研究也產(chǎn)生興趣。在恒定電流的流動(dòng)池中，韋斯特尼特稱其為“魚兒跑步機(jī)”，隆頭魚在那里開心的游動(dòng)，只利用胸鰭就能在流動(dòng)池中保持在固定位置上，而高速攝像機(jī)可捕捉到其運(yùn)動(dòng)的每個(gè)細(xì)節(jié)，每秒速度達(dá)到1000幀。

結(jié)合生物學(xué)家對(duì)隆頭魚進(jìn)行解剖獲得的詳細(xì)知識(shí)，比如魚鰭如何附在肌肉上、鰭膜中神經(jīng)末梢如何傳遞應(yīng)力和張力等，這些攝影能夠幫助科學(xué)家們深入了解隆頭魚如何通過(guò)在水中扭動(dòng)身體、拍打水流推進(jìn)自己。這種能力可讓隆頭魚保持在原地徘徊，身體不被水流沖走。WANDA項(xiàng)目首席工程師杰森·葛德爾(Jason Geder)說(shuō)，這種能力讓隆頭魚成為新式靈活水下設(shè)備的理想模型。他解釋稱：“傳統(tǒng)螺旋槳或助推器驅(qū)動(dòng)的水下設(shè)備沒有這種可操作性，或者轉(zhuǎn)彎過(guò)大。而隆頭魚是非常好的魚類模型，因?yàn)槿绻覀円朐谒略O(shè)備中心附上剛性外殼，我們可以利用這種胸鰭運(yùn)動(dòng)獲得相似的性能?！?/p>

韋斯特尼特認(rèn)為，新的3D攝影能力可進(jìn)一步加強(qiáng)研究。他說(shuō)：“對(duì)于魚兒來(lái)說(shuō)，這攸關(guān)生存或死亡。而對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，更好地理解效率意味著我們會(huì)獲得更好的動(dòng)力。我們真的想要模仿薄膜底層的骨骼結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，看看我們是否可以得到超高的效率?！?/p>

對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，博物館的生物收藏是另一個(gè)還未被充分利用的豐富資源。以史密森博物館為例，這里有近60萬(wàn)種脊椎動(dòng)物標(biāo)本。而弗吉尼亞理工大學(xué)的羅爾夫·穆勒(Rolf Müller)正在這種優(yōu)勢(shì)，他從蝙蝠身上獲得靈感開發(fā)無(wú)人機(jī)。利用博物館中蝙蝠耳朵和鼻子的3D掃描，穆勒已經(jīng)制造出類似結(jié)構(gòu)的飛行機(jī)器人。他說(shuō)：“那里的抽屜里收集有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的樣本，你可以迅速訪問。”他邀請(qǐng)博物館專業(yè)人員和研究人員幫助在全國(guó)各地推進(jìn)類似的仿生研究。

無(wú)論是流動(dòng)池中的魚還是躺在抽屜中的樣本，將它們從數(shù)據(jù)變成有用形式依然存在挑戰(zhàn)。韋斯特尼特說(shuō)：“典型的工程師需要規(guī)格，但生物學(xué)家可能會(huì)交給他們解剖圖?！敝钡接H自開始某些工程會(huì)議，韋斯特尼特才意識(shí)到自己的工作可提供魚兒運(yùn)動(dòng)的機(jī)械數(shù)據(jù)，這些運(yùn)動(dòng)可被轉(zhuǎn)換成電機(jī)功率、力量以及數(shù)據(jù)，工程師們用它們開發(fā)更好的機(jī)器。他說(shuō)：“這些都是自然選擇在發(fā)揮作用，但它們也可讓自動(dòng)車輛變得不同?！?/p>

返回學(xué)校

學(xué)習(xí)、記憶以及采用都存在挑戰(zhàn)。讓我們重新回到海軍改造倉(cāng)庫(kù)，MeRLIn團(tuán)隊(duì)依然在致力于解決小型化問題。但是他們都意識(shí)到，它們?cè)O(shè)想的機(jī)器人若沒有學(xué)習(xí)、記憶以及適應(yīng)能力，還不算完整。亨肖不在實(shí)驗(yàn)室工作的時(shí)候，會(huì)在家中養(yǎng)羊。他說(shuō)，觀察新出生的羊羔蹣跚學(xué)步也強(qiáng)調(diào)了人工復(fù)制這個(gè)過(guò)程的難度。他說(shuō)，沒人真正理解這個(gè)過(guò)程，羊羔需要不斷調(diào)整它們的運(yùn)動(dòng)，以便隨著成長(zhǎng)快速適應(yīng)身體變化。他的團(tuán)隊(duì)正采用這種策略編寫軟件，可讓他們改變MeRLIn的步態(tài)。

另外，亨肖也在參加其他項(xiàng)目，幫助開發(fā)源自生物的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。他展示了視頻，顯示機(jī)器腿將球踢進(jìn)球門中的過(guò)程。經(jīng)過(guò)3次編程，腿部可自動(dòng)踢球78次，它能系統(tǒng)性地選擇自己的目標(biāo)，并追蹤其成功和失敗。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步細(xì)化并應(yīng)用到MeRLIn這樣的機(jī)器人身上，這類代碼可能讓行走機(jī)器人更容易適應(yīng)自己不同的有效載荷或腿長(zhǎng)。

亨肖表示：“許多項(xiàng)目都有自己的方程式，以通過(guò)實(shí)時(shí)的大數(shù)學(xué)方程幫助找出優(yōu)化重力中心或運(yùn)動(dòng)的方案。這種方法很有用，但它并不完全屬于生物學(xué)。我不能說(shuō)為踢球機(jī)器人編寫的算法正發(fā)生在大腦中，但它看起來(lái)似乎是必然要進(jìn)行的事情。人類通過(guò)實(shí)踐學(xué)習(xí)爬樹和地球，而非數(shù)值優(yōu)化。”

但亨肖補(bǔ)充說(shuō)，深度學(xué)習(xí)和訪問收集到的知識(shí)很可能加速這個(gè)進(jìn)程，然而硬件還不夠健壯或依然很小，沒有適合的東西能適應(yīng)小型化的MeRLIn。他說(shuō)：“如果你想要這些小機(jī)器人，那么我們不必對(duì)算法做出太大改進(jìn)，而是努力開發(fā)運(yùn)行它們的硬件。否則，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電腦、電池都太大了，小型機(jī)器人根本無(wú)法高效工作?！?/p>

新興市場(chǎng)

生物提供的創(chuàng)新身體平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)策略的捷徑，也可能有助于使從生物身上借用靈感的機(jī)器人在經(jīng)濟(jì)上變得更加可行。喬塞特并非唯一創(chuàng)建公司來(lái)推進(jìn)其發(fā)明投入實(shí)際應(yīng)用的學(xué)者，事實(shí)上，由挪威科技大學(xué)機(jī)器人學(xué)教授克里斯汀·派特森(Kristin Ytterstad Pettersen)資助的Eelume，目前正推銷自己的機(jī)器人游泳蛇，以用于水下探索和檢查任務(wù)。德和肯尼利創(chuàng)辦的Ghost Robotics公司也在出售Minitaur。

大型私人企業(yè)也正參與到這個(gè)領(lǐng)域中來(lái)。Boston Engineering的船舶檢測(cè)機(jī)器人BioSwimmer已經(jīng)進(jìn)入最后現(xiàn)場(chǎng)演示階段。這種機(jī)器人不僅從金槍魚身上獲得靈感，其整個(gè)外部軀體都是基于1.5米長(zhǎng)的藍(lán)鰭金槍魚設(shè)計(jì)的，這條魚是該公司在沃爾瑟姆的辦公室附近捕獲的。就像金槍魚那樣，BioSwimmer推進(jìn)器的動(dòng)力源自尾部，讓機(jī)器人前半部分安裝各種傳感器和有效載荷。他們的目標(biāo)不是模仿金槍魚，而是利用這種動(dòng)物的效率和高性能。

Boston Engineering先進(jìn)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)主管邁克·盧弗(Mike Rufo)表示，設(shè)計(jì)的生物方面沒有那么容易打造出來(lái)，但它也不會(huì)額外增加難度。盧弗宣稱，該公司正建造BioSwimmer(1.5米長(zhǎng)、45公斤重)，類似項(xiàng)目成本約為100萬(wàn)美元，而BioSwimmer的成本僅與類似體型的車輛差不多。但靈感源自金槍魚推進(jìn)策略提供的運(yùn)動(dòng)效率讓它使用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力源時(shí)可運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。

盧弗說(shuō)：“總的來(lái)說(shuō)，在我們打造仿生機(jī)器人的前進(jìn)路上還有許多技術(shù)障礙，但生物靈感也同樣提供了機(jī)會(huì)，讓我們可解決那些直接挑戰(zhàn)，或在某種程度上減輕這些挑戰(zhàn)帶來(lái)的影響，并提高性能。舉例來(lái)說(shuō)，盡管電池技術(shù)取得了令人興奮的進(jìn)步，但在我們的平臺(tái)上，你能將多少動(dòng)力注入小型機(jī)器人身上?如果你能解決系統(tǒng)的效率問題，也許電池的影響就不會(huì)太大。在這方面，生物靈感可發(fā)揮巨大作用?！辈贿^(guò)，盧弗認(rèn)為這樣的機(jī)器人還不常見，除了國(guó)防應(yīng)用外，至少還需要5到10年時(shí)間才能普及。

在我們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)不那么令人毛骨悚然的機(jī)器人助手前，我們還需要克服許多障礙。過(guò)去幾年，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，生物學(xué)和進(jìn)化相結(jié)合的目標(biāo)也日益清晰，我們更為關(guān)注生物強(qiáng)大的適應(yīng)能力和執(zhí)行能力。韋斯特尼特說(shuō)：“有時(shí)候，我看著這些水下機(jī)器人，它們似乎依然顯得笨拙，但那是因?yàn)槲伊?xí)慣了看到優(yōu)雅的動(dòng)物穿過(guò)珊瑚礁。而認(rèn)為工程師和生物學(xué)家可以聯(lián)手研究機(jī)器人，讓它們可以自己跳進(jìn)水中執(zhí)行任務(wù)，越來(lái)越不令人感到驚訝。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)生的一切都令人感到興奮!”(小小)

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