獵豹啟發(fā)：生物力學(xué)與深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人革新

在地跨南非和博茨瓦納廣袤的卡格拉格帝跨境公園內(nèi)，野生獵豹媽媽和她的三只幼崽正在捕獵跳羚。獵豹之所以能夠迅速撲倒獵物，是因?yàn)槊艚菪院涂焖偌铀倌芰x予它們決定性的優(yōu)勢(shì)。Amir Patel 是開普頓大學(xué)生物力學(xué)教授兼非洲機(jī)器人研究中心 （ARU） 主任。在他的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，他正在安全距離內(nèi)現(xiàn)場訓(xùn)練著動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。

Patel 和他在 ARU 的團(tuán)隊(duì)致力于通過研究獵豹如何移動(dòng)，打造更出色、更敏捷的機(jī)器人?！矮C豹代表著機(jī)動(dòng)性的巔峰水平，”Patel 說道?！耙钊胙芯克?，我們需要設(shè)計(jì)新的方法來衡量運(yùn)動(dòng)和力或者執(zhí)行優(yōu)化?！?/p>

關(guān)注獵豹這種地表速度最快的動(dòng)物催生了諸多技術(shù)上的進(jìn)步和發(fā)展。在機(jī)器人、多體建模、反饋控制、軌跡優(yōu)化、計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，研究人員開發(fā)了各種新的技術(shù)。

雖然 Patel 多年來一直在使用 MATLAB 和 Simulink，但 Campus-Wide License 使他和該大學(xué)的其他研究人員能夠更充分地利用該平臺(tái)。

“我們根據(jù)所研究的問題選擇合適的工具，”Patel 說道?！斑@種校園級(jí)許可證給我們帶來了極大的便利?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，MATLAB 和 Simulink 支持與其他編程語言（如 Python）和硬件（如 Speedgoat）進(jìn)行無縫的互操作。

Patel 與 Mackenzie Mathis 博士和 Alexander Mathis 博士協(xié)作，將他們開發(fā)用于無創(chuàng)動(dòng)物行為跟蹤的開源工具箱 （DeepLabCut） 應(yīng)用于跟蹤野外奔跑的獵豹這一任務(wù)。這項(xiàng)研究榮登自然協(xié)議雜志的封面。

隨后，Patel 以其基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng) WildPose 獲得計(jì)算機(jī)感知類別的“谷歌研究學(xué)者獎(jiǎng)”。MathWorks 也為該實(shí)驗(yàn)室的研究提供了大力支持。Patel 的工作為他帶來了兩項(xiàng)專利，催生了一家大學(xué)衍生公司，并引發(fā)了機(jī)器人專家、運(yùn)動(dòng)科學(xué)家、臨床醫(yī)生、生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家和保護(hù)區(qū)管理者的濃厚興趣。

意外的收獲

在野外，獵豹的沖刺速度高達(dá)每小時(shí) 120 公里（75 英里），這使它們成為陸地動(dòng)物中的短跑冠軍。大型貓科動(dòng)物可以快速加速，輕松追逐獵物，這并不奇怪，因?yàn)樗鼈兊耐群筒弊虞^長，腦袋較小，且爪子處于半伸縮狀態(tài)。

世界上大約 18% 的獵豹生活在南非。作為一名工程師，Amir Patel 很早就對(duì)本地動(dòng)物很著迷。他在開普敦大學(xué)攻讀博士學(xué)位之初，就計(jì)劃使用獵豹數(shù)據(jù)開發(fā)完整的機(jī)器人。

“當(dāng)時(shí)，沒有關(guān)于獵豹如何利用尾巴或靈活的脊椎或模型來解釋獵豹機(jī)動(dòng)性的信息，”他回憶道。

Patel 將獵豹毛茸茸的長尾巴作為研究對(duì)象。那時(shí)，關(guān)于尾巴的數(shù)據(jù)是基于其他動(dòng)物的。科學(xué)家并不十分了解其重量和慣性情況。當(dāng)時(shí)的野生動(dòng)物專家普遍認(rèn)為，尾巴很重，具有很大慣性，起著配重的作用。

后來，他的一位博士協(xié)作者，比勒陀利亞國家動(dòng)物園的 Emily Lane 教授，請(qǐng)他觀看一只自然死亡的獵豹的尸檢。在尸檢過程中，Patel 拍攝了照片并進(jìn)行了測(cè)量。

“我原以為尾巴會(huì)很大，”他說道?！暗珜?shí)際上，獵豹的尾巴很纖細(xì)，僅占其體重的 2% 左右?！?/p>

為了更好地了解毛皮的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，Patel 將 Lane 提供的已故獵豹的尾巴放在風(fēng)洞中。他使用 MATLAB 和 Simulink 進(jìn)行了建模。

“想象一下，您在車?yán)?，將手臂伸出窗外，您能感受到那股力量，”他說道?！拔覀円呀?jīng)確定，獵豹在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，借助這種空氣動(dòng)力學(xué)阻力來穩(wěn)定身體?！?/p>

將獵豹的尾巴放在風(fēng)洞中以了解毛皮的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。（圖片所有權(quán)：Amir Patel）

機(jī)器人專家經(jīng)常從大自然中汲取靈感，但 Patel 發(fā)現(xiàn)自己所做的生物學(xué)研究受到機(jī)器人的啟發(fā)。他的機(jī)器人背景為研究獵豹提供了新的視角。

生物靈感催生活塞應(yīng)用

作為 ARU 的四名主要研究人員之一，Patel 和他的學(xué)生從不同角度研究獵豹：創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，感知和測(cè)量動(dòng)物的行為，以及制造機(jī)器人來作為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的機(jī)械模型。獵豹的奔跑速度不斷變化，這增加了研究其運(yùn)動(dòng)的難度。相比其他擁有恒定速度的動(dòng)物，研究獵豹的動(dòng)態(tài)更有挑戰(zhàn)性。

他和其他 ARU 工程師打造了一款名為 Baleka 的兩足機(jī)器人，該名稱來自科薩語，意思是“沖刺”。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)利用了軌跡優(yōu)化方法。結(jié)果表明，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的垂直靈活性超過了人類。

在 2023 年機(jī)器人和自動(dòng)化國際會(huì)議 （ICRA） 上，Patel 和他的學(xué)生 Christopher Mailer 展示了一種新型四足機(jī)器人原型 Kemba 的設(shè)計(jì)和控制。這種混合氣動(dòng)電動(dòng)原型平臺(tái)的名稱取自祖魯語 inkemba（即“劍”），該機(jī)器人可以在相當(dāng)于其 2.2 倍腿長的高度跳躍。

Patel 說道，“在觀看視頻時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，獵豹并沒有嘗試精細(xì)地控制腳，而只是嘗試盡可能用力地蹬地?！薄斑@與氣動(dòng)活塞施加力的方式有著異曲同工之處?！?通常，機(jī)器人專家不使用氣動(dòng)活塞，因?yàn)樗鼈冸y以精確控制，但 ARU 團(tuán)隊(duì)接受了這種效果。他們利用 Simscape Multibody 和 Simulink 為 Kemba 膝蓋上的氣動(dòng)活塞建模，仿真四腿機(jī)器人的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，并為其設(shè)計(jì)控制器。

Patel 表示，他和他的學(xué)生都有反饋控制方面的背景，因此自然而然地想到了從一個(gè)系統(tǒng)移至下一個(gè)系統(tǒng)的模塊圖和信號(hào)。該團(tuán)隊(duì)在用于多體建模的機(jī)械 CAD 軟件中設(shè)計(jì)了 Kemba，然后將這些設(shè)計(jì)移植到了 Simscape 中。

借助基于模型的設(shè)計(jì)，Patel 和他的學(xué)生可以實(shí)時(shí)查看加速度信號(hào)，他認(rèn)為這非常有用，特別是對(duì)于調(diào)試更是如此。此模塊圖環(huán)境縮短了團(tuán)隊(duì)的開發(fā)時(shí)間，還支持快速測(cè)試和試驗(yàn)、系統(tǒng)優(yōu)化以及代碼自動(dòng)化。

“Simulink Real-Time 正在改變游戲規(guī)則。過去，我采用手動(dòng)編碼，但總出問題，”他說道?！艾F(xiàn)在，我們使用 Speedgoat 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以輕松地與 Simulink Real-Time 集成。我們只需點(diǎn)擊一下按鈕，它就會(huì)在機(jī)器人上運(yùn)行。這使得開發(fā)工作的質(zhì)量更好，速度更快?！?/p>

在 ICRA 上，科學(xué)家們展示了 Kemba 在加速和跳躍方面的潛力。這個(gè)剛性脊椎機(jī)器人的跳躍高度可達(dá) 1 米（3.28 英尺）。

接觸順序?qū)ΛC豹和機(jī)器人都很重要。即使使用機(jī)器人抓取器或抓手，理想的接觸順序也會(huì)在移動(dòng)或操縱目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生很大的影響。2018 年，Patel 在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)休假期間，提出了更準(zhǔn)確的接觸優(yōu)化算法的想法。

與他交談過后，一些科學(xué)家否定了他的想法，“不行，你這樣行不通。兩年前，有幾個(gè)小組嘗試過，都沒成功?！钡还苋绾?，Patel 還是勇敢嘗試了。他后來撰寫了一篇題為《Contact-Implicit Trajectory Optimization Using Orthogonal Collocation》（使用正交排列的接觸隱式軌跡優(yōu)化）的論文。該論文發(fā)表在了 IEEE Robotics and Automation Letters 上，成為他被引用次數(shù)最多的文章之一，并在 2020 年獲得 IEEE 技術(shù)委員會(huì)關(guān)于機(jī)器人基于模型的優(yōu)化最佳論文獎(jiǎng)的亞軍。

“遠(yuǎn)離其他研究中心或行業(yè)有其自身的優(yōu)勢(shì)，”Patel 沉思道?！拔矣幸环N逆水行舟的心態(tài)?！?/p>

遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)

獵豹面臨著許多威脅，正瀕臨滅絕。盡管獵豹的速度之快令人難以置信，但它們是膽小的掠食者，而且與食腐動(dòng)物競爭獵物。氣候變化、棲息地喪失、偷獵者以及與人類的沖突導(dǎo)致野生動(dòng)物數(shù)量銳減。

Patel 說道，“育種和保護(hù)區(qū)計(jì)劃有力地推動(dòng)了種群數(shù)量的增加?！狈侵迿C(jī)器人研發(fā)中心與三個(gè)獵豹中心（Cheetah Outreach、Cheetah Conservation & Research Centre 和 Ashia）展開了合作。這三個(gè)中心位于獵豹與人類和平共處的地區(qū)。

目前，用于理解人類運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)技術(shù)不能直接應(yīng)用于研究野生動(dòng)物。這就需要重新構(gòu)想如何測(cè)量獵豹的運(yùn)動(dòng)?！拔以认胫唾I些項(xiàng)圈戴在獵豹身上，”他承認(rèn)道?！暗?，即使給動(dòng)物戴上項(xiàng)圈，也無法獲取關(guān)于其頭、腿、脊椎或尾巴的信息?！?/p>

ARU 的科學(xué)家為圈養(yǎng)的獵豹開發(fā)了一種基于 GPS 的后置攝像頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器融合，效果很好。。.…但是后來，獵豹不肯乖乖就范了。另一個(gè)障礙是：這些中心圈養(yǎng)的獵豹的移動(dòng)速度為 65 公里/小時(shí)（40 英里/小時(shí)），遠(yuǎn)低于野生獵豹的移動(dòng)速度，后者高達(dá) 144 公里/小時(shí)（89 英里/小時(shí)）。

“在實(shí)驗(yàn)室，可以將電極放在人或動(dòng)物身上，測(cè)量其肌肉活動(dòng)狀態(tài)，但野生動(dòng)物可不會(huì)讓你觸碰，”Patel 說道?！坝谑?，我就有了這個(gè)瘋狂的想法，那就是能夠遠(yuǎn)距離測(cè)量野生動(dòng)物的整個(gè)身體及骨架的運(yùn)動(dòng)學(xué)?！?/p>

ARU 開始與國家公園合作，將實(shí)驗(yàn)室?guī)У揭巴?。在那里，研究人員設(shè)法從全速奔跑的獵豹身上收集更多有代表性的數(shù)據(jù)。然而，在沒有電極或可穿戴設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)作捕獲面臨著巨大的挑戰(zhàn)。有時(shí)候，獵豹在卡格拉格帝跨境公園內(nèi)行蹤不定，短暫出現(xiàn)后隨即就消失在沙丘上。

獵豹奔跑的無標(biāo)記（無創(chuàng)）三維重建。獵豹的多個(gè)視圖在二維進(jìn)行標(biāo)注，然后通過完整軌跡估計(jì) （FTE） 算法進(jìn)行融合，以產(chǎn)生三維骨架運(yùn)動(dòng)。（視頻所有權(quán)：開普敦大學(xué)非洲機(jī)器人研究中心）

Patel 和 ARU 團(tuán)隊(duì)隨后開發(fā)了一種使用激光雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡鏡頭的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多傳感器融合技術(shù)，能夠遠(yuǎn)距離生成三維生物力學(xué)數(shù)據(jù)。

MATLAB 工具箱對(duì)于三維重建等項(xiàng)目部分至關(guān)重要，該團(tuán)隊(duì)將激光雷達(dá)和攝像頭信息結(jié)合使用來進(jìn)行傳感器融合。Control System Toolbox 有助于闡明獵物的運(yùn)動(dòng)與獵豹身體不同部位或整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)之間的輸入輸出關(guān)系。

“我們經(jīng)常使用 Computer Vision Toolbox 進(jìn)行標(biāo)定，”Patel 指出。“在 MathWorks 研究峰會(huì)上，每個(gè)人都對(duì)相機(jī)標(biāo)定的上佳表現(xiàn)贊不絕口?！彼H臨馬薩諸塞州的內(nèi)蒂克市參加了年度峰會(huì)。在會(huì)上，他與 MathWorks 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Cleve Moler 進(jìn)行了交談，并發(fā)表了主題演講。

該實(shí)驗(yàn)室與 MathWorks 建立了高度協(xié)作的關(guān)系。受 ARU 研究人員反饋的啟發(fā)，Computer Vision Toolbox 和 Lidar Toolbox 引入了新的功能，這些功能將集成到機(jī)器人產(chǎn)品中。

除了獵豹，ARU 還捕獲到了其他運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)物，包括長頸鹿、獅子和跳羚。在驗(yàn)證了其系統(tǒng)后，該團(tuán)隊(duì)希望向全世界推出該系統(tǒng)。

MATLAB 工具箱對(duì)于獵豹運(yùn)動(dòng)的分析和建模至關(guān)重要。（圖片所有權(quán)：開普敦大學(xué)非洲機(jī)器人研究中心）

作為牛津大學(xué)的客座教授，Patel 在休假期間也專注于改進(jìn)野外動(dòng)物生命體征的測(cè)量。一些疾病可以從家養(yǎng)動(dòng)物傳染到野生動(dòng)物身上，傳播速度非?？?，等到生態(tài)學(xué)家發(fā)現(xiàn)時(shí)往往為時(shí)已晚，尤其是在資源匱乏的地區(qū)。更智能、更便捷的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以提供早期預(yù)警系統(tǒng)。

這些遠(yuǎn)程系統(tǒng)也可能有益于監(jiān)測(cè)人類健康狀況，使臨床醫(yī)生能夠測(cè)量患者的肌肉活動(dòng)，而不必在皮膚上粘貼昂貴的電極。Patel 注意到了該系統(tǒng)在脊髓損傷康復(fù)和假肢安裝領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

運(yùn)動(dòng)科學(xué)家也對(duì) ARU 榮獲專利的可穿戴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)表示出了興趣。該實(shí)驗(yàn)室的另一項(xiàng)專利是三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)，該經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景，目前正由一家新的大學(xué)衍生公司研發(fā)。接下來，該實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小組將致力于給 Kemba 裝配活動(dòng)脊柱。

Patel 博士和他的團(tuán)隊(duì)正在研究逆最優(yōu)控制和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，以了解有關(guān)獵豹運(yùn)動(dòng)的更多信息。（圖片所有權(quán)：Amir Patel） Patel 的團(tuán)隊(duì)也開始探索逆強(qiáng)化學(xué)習(xí)和最優(yōu)控制?！拔覀兗词箍梢杂^察到獵豹的運(yùn)動(dòng)，仍不確定獵豹為什么會(huì)這樣做，”他說道?！矮C豹是想在奔跑時(shí)保留能量、增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性，還是想在最短時(shí)間內(nèi)截獲獵物？逆強(qiáng)化學(xué)習(xí)將幫助我們理解它嘗試優(yōu)化的目標(biāo)?！?/p>

這些獵豹依然讓他著迷。

“在讀博士期間，我改變了想法，樹立了研究這種動(dòng)物的志向，”他說道?！?3 年過去了，我依舊保持初心?！?/p>

審核編輯 ：黃飛