能游泳機(jī)器人又有新突破 瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)鰻魚機(jī)器人

能游泳的機(jī)器人又有新突破，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)的鰻魚機(jī)器人登上 Science Robotics 封面。

該鰻魚機(jī)器人利用其各部分裝有的傳感器裝置，能在中央控制系統(tǒng)損壞情況下，從水中獲得傳感反饋信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)其運(yùn)動(dòng)，為研究人員開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單、堅(jiān)固的移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)辟了一個(gè)新方向。

該研究論文題目為《基于局部水動(dòng)力傳感的魯棒自組織波動(dòng)游動(dòng)的出現(xiàn)(Emergence of robust self-organized undulatory swimming based on local hydrodynamic force sensing)》，于 8 月 11 日發(fā)表在 Science Robotics 上。

原有游泳機(jī)器人依靠中央系統(tǒng)控制

機(jī)器人學(xué)和生物學(xué)之間關(guān)系密切，既有研究人員參考生物體設(shè)計(jì)機(jī)器人的情況，也有研究人員使用復(fù)制了生物體傳感和控制系統(tǒng)的機(jī)器人，來(lái)幫助其了解生物體是如何完成一些運(yùn)動(dòng)的。

在設(shè)計(jì)、研究游泳機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)過(guò)程中，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員對(duì)鰻魚在水中感知周圍流體的能力產(chǎn)生了興趣，也就是鰻魚在水中游動(dòng)時(shí)身體感受到的壓力狀況。

一些鰻魚類動(dòng)物要完成波浪式起伏運(yùn)動(dòng)，需要靠其神經(jīng)系統(tǒng)中的脊髓來(lái)控制，以及一組被稱為神經(jīng)振蕩器(neural oscillators)的神經(jīng)元來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的有節(jié)奏的肌肉活動(dòng)。除中央神經(jīng)系統(tǒng)外，動(dòng)物身體上還會(huì)有一些外周神經(jīng)系統(tǒng)，由感覺(jué)神經(jīng)元組成，向中樞神經(jīng)提供身體和環(huán)境狀態(tài)的信息。

因?yàn)樵诨铙w動(dòng)物上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較難，為此研究人員設(shè)計(jì)了一種名為 AgnathaX 的機(jī)器人。

該機(jī)器人是研究人員在一種名為 AmphiBot 的蛇形兩棲機(jī)器人基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化的。AmphiBot 機(jī)器人也是洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員設(shè)計(jì)，能在水中游動(dòng)。

AmphiBot 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)是靠中央模式生成器(central pattern generator，CPG)來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPG 是一種神經(jīng)回路(一種生物體模式)序列，會(huì)產(chǎn)生像鰻魚類動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振蕩節(jié)奏。

模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水動(dòng)力感應(yīng)

AgnathaX 機(jī)器人是由驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接的剛體節(jié)段組成，每一剛體節(jié)段都帶有獨(dú)立的電路(包括振蕩器和耦合器)、左右對(duì)抗肌和一對(duì)側(cè)向力學(xué)傳感器。

該機(jī)器人的核心由 10 個(gè)伺服電機(jī)組成，配有一臺(tái) Linux 計(jì)算機(jī)、一個(gè)電池和一個(gè)被動(dòng)尾部模塊。

研究人員組裝 AgnathaX 機(jī)器人時(shí)，先將機(jī)器人核心部件放入防水泳衣中;然后將力學(xué)傳感器模塊通過(guò)磁鐵從外部固定，這些模塊通過(guò)電氣連接(電力和通信)到相鄰的模塊，最后與機(jī)器人頭部相連;最后在每個(gè)模塊頂部安裝一個(gè)帶有嵌入式 LED 的、用于運(yùn)動(dòng)跟蹤的浮動(dòng)元件。

其中力學(xué)傳感器模塊由通信電路、帶有相應(yīng)放大器的測(cè)壓元件和纖維板組成，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的水動(dòng)力感應(yīng)。

中央加周圍神經(jīng)系統(tǒng) 增強(qiáng)抵御通信中斷能力

研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中央和周圍神經(jīng)系統(tǒng)都有助于產(chǎn)生強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作的好處是它能夠增強(qiáng)抵御神經(jīng)中斷的能力，例如在身體部位之間的通信失敗或減弱情況下還能運(yùn)動(dòng)。

這項(xiàng)研究的合著者卡米洛?梅洛(Kamilo Melo)說(shuō)：“換個(gè)說(shuō)法就是通過(guò)利用中央和外圍組件的組合，機(jī)器人可以抵抗更多的神經(jīng)干擾，保持高速游泳運(yùn)動(dòng)。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)感知機(jī)器人身體和水的物理相互作用，機(jī)器人外部裝備的壓力傳感器可以提供有用的信號(hào)，幫助生成和同步運(yùn)動(dòng)所需有節(jié)奏的肌肉活動(dòng)。

因此，當(dāng)科學(xué)家切斷機(jī)器人不同部分之間的通信以模擬脊髓損傷時(shí)，測(cè)量水壓的壓力傳感器發(fā)出的信號(hào)還足以維持機(jī)器人實(shí)現(xiàn)波浪式運(yùn)動(dòng)。

這些發(fā)現(xiàn)可用于設(shè)計(jì)更有效的游泳機(jī)器人，用于搜索和救援任務(wù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

結(jié)語(yǔ)：機(jī)器人模塊化有新思路

機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)是很多機(jī)器人研究中會(huì)考慮的一件事情，更多是讓機(jī)器人功能得到延展，比如說(shuō)根據(jù)需要改變其形態(tài)或加裝不同功能的模塊，某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)也可以快速更換。

鰻魚機(jī)器人為模塊化機(jī)器人提供了一種新思路，使用更獨(dú)立的模塊抵抗可能會(huì)出現(xiàn)的中樞系統(tǒng)損壞。

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