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機(jī)器人的部件通信中斷后，還能正常做動(dòng)作嗎？

這里的部件，指?jìng)鞲衅?、通信總線、控制電路，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心。

現(xiàn)在，一群來(lái)自EPFL的科學(xué)家在觀察鰻魚(yú)后，得出結(jié)論：可以！

他們模擬鰻魚(yú)的結(jié)構(gòu)，造了個(gè)“通信中斷也能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)”的機(jī)器人，極大地提升了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。

研究已經(jīng)登上Science Robotics封面：

一起來(lái)看看。

控制&傳感器中斷，也能做動(dòng)作

通常來(lái)說(shuō)，如果動(dòng)物的脊髓 （中樞神經(jīng)系統(tǒng)）被截?cái)?，就?huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的肢體癱瘓。

即使是脊椎動(dòng)物（如大部分魚(yú)類(lèi)），切斷脊髓后也無(wú)法協(xié)調(diào)動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)能力嚴(yán)重下降。

但魚(yú)類(lèi)中的鰻魚(yú)，在被砍斷一半后，下半身還能做出游泳的動(dòng)作。

這引起了科學(xué)家們的興趣：能否給機(jī)器人也整一個(gè)？

機(jī)器人通常全靠“大腦”（總控制系統(tǒng)）來(lái)控制動(dòng)作，一旦總控信號(hào)中斷，就會(huì)導(dǎo)致全身“癱瘓”；如果掌握鰻魚(yú)的運(yùn)動(dòng)技巧，就能讓運(yùn)動(dòng)控制變得更簡(jiǎn)單。

對(duì)鰻魚(yú)進(jìn)行分析后，研究人員發(fā)現(xiàn)了它的兩點(diǎn)特征：

其一，通過(guò)周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)，來(lái)感知環(huán)境并協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；其二，通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，用一組神經(jīng)元（神經(jīng)振蕩器）產(chǎn)生規(guī)律的肌肉活動(dòng)來(lái)抵御通信中斷。

根據(jù)這兩個(gè)特征，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)波動(dòng)式游動(dòng)的“鰻魚(yú)”機(jī)器人。

首先，環(huán)境感知部分，即機(jī)器人的“周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)”。

研究人員設(shè)計(jì)了一組由通信電路、帶有放大器的測(cè)壓元件和纖維板構(gòu)成的力學(xué)傳感器，作為機(jī)器人的“感應(yīng)皮膚”，用來(lái)感知水中的動(dòng)力。

這組力學(xué)傳感器被磁鐵固定在機(jī)器人的外側(cè)，與相鄰模塊連接，最終與頭部相連，它會(huì)將信號(hào)反饋給神經(jīng)元，以此控制左右側(cè)“肌肉”的運(yùn)動(dòng)。

每個(gè)模塊的頂部，還有一個(gè)浮動(dòng)元件，用于運(yùn)動(dòng)跟蹤。

力學(xué)傳感器和浮動(dòng)元件，共同構(gòu)成了機(jī)器人的“皮膚”（圖中黃色防水布外圍的黑色部件），機(jī)器人通過(guò)它們感知到水流壓力，實(shí)現(xiàn)貼著障礙物游動(dòng)、同時(shí)避免撞上障礙物的效果。

然后，控制運(yùn)動(dòng)部分，即機(jī)器人的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。

這部分由10個(gè)伺服電機(jī)組成，每部分都是一個(gè)獨(dú)立電路，由搭載Linux系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、電池和被動(dòng)連接模塊組成，構(gòu)成控制一段肌肉的系統(tǒng)。

各部分控制系統(tǒng)完全獨(dú)立，即使某一部分損壞，剩下的模塊也能根據(jù)傳感器實(shí)現(xiàn)規(guī)律的肌肉活動(dòng)，就像節(jié)拍器共振一樣：

運(yùn)動(dòng)起來(lái)非常有節(jié)奏感：

然后，再用一層防水泳衣將“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”裹?。ㄍ鈧?cè)的黃色布料），系統(tǒng)就做好了。

這樣的“鰻魚(yú)”機(jī)器人，真能在控制系統(tǒng)等部件壞掉時(shí)，正常運(yùn)動(dòng)嗎？

可貼墻游動(dòng)，多次中斷也不停

研究人員在2米×6米×0.31米的水池里對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試。

接受測(cè)試的結(jié)構(gòu)有4種，分別是無(wú)傳感器（CPG）、無(wú)耦合（前后部件無(wú)關(guān)聯(lián)）、無(wú)神經(jīng)振蕩器、全功能（論文所提結(jié)構(gòu)）。

下圖是人為短暫中斷不同部件的運(yùn)轉(zhuǎn)后，這幾種機(jī)器人速度下降的情況（圖A~P），其中橫軸表示中斷次數(shù)：

從圖中來(lái)看，中斷類(lèi)型分為4種：傳感器中斷、耦合中斷、神經(jīng)振蕩器中斷和三種部件全部中斷。

顯然，無(wú)論是三種部件全部中斷、還是其中一種中斷的情況下，這一結(jié)構(gòu)的機(jī)器人都要比其他幾種機(jī)器人架構(gòu)好得多。

其他類(lèi)型的幾種機(jī)器人，在面臨多個(gè)部件中斷的情況下，次數(shù)超過(guò)9次后速度就已經(jīng)下降到0。

只有論文介紹的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在多部件中斷9次后，還能保持0.1m/s以上的速度。

這也表明，論文中提出的機(jī)器人即使在“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”（總控）和“周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)”（傳感器）中只有一個(gè)起作用的情況下，也能保持幾乎不變的運(yùn)動(dòng)速度。

只有在總控和傳感器同時(shí)、多次中斷的情況下，機(jī)器人的速度才會(huì)緩慢下降。

這項(xiàng)研究對(duì)于可重構(gòu)和模塊化機(jī)器人非常有用，也能用于搜救和環(huán)境監(jiān)測(cè)中，提高了機(jī)器人的魯棒性。

作者介紹

一作Robin Thandiackal，本科畢業(yè)于ETH（蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院），博士畢業(yè)于EPFL（洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院），目前在哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后工作。

共同一作Kamilo Melo，曾經(jīng)在EPFL進(jìn)行博士后工作，此后創(chuàng)立機(jī)器人公司KM-RoBoTa，同時(shí)仍然與EPFL進(jìn)行學(xué)術(shù)合作。

其他的8名作者，則分別來(lái)自EPFL、法國(guó)南特大學(xué)數(shù)字科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LS2N）、日本東北大學(xué)、舍布魯克大學(xué)。

除了研究鰻魚(yú)機(jī)器人以外，Kamilo Melo的公司還研究過(guò)抗摔抗掉落的蛇形機(jī)器人：

論文地址：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabf6354