蕭簫 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

機器人的部件通信中斷后，還能正常做動作嗎？

這里的部件，指傳感器、通信總線、控制電路，是機器人運動的核心。

現在，一群來自EPFL的科學家在觀察鰻魚后，得出結論：可以！

他們模擬鰻魚的結構，造了個“通信中斷也能繼續運動”的機器人，極大地提升了機器人的運動能力。

研究已經登上Science Robotics封面：

一起來看看。

控制&傳感器中斷，也能做動作

通常來說，如果動物的脊髓 （中樞神經系統）被截斷，就會出現對應的肢體癱瘓。

即使是脊椎動物（如大部分魚類），切斷脊髓后也無法協調動作，運動能力嚴重下降。

但魚類中的鰻魚，在被砍斷一半后，下半身還能做出游泳的動作。

△從砧板上溜走的一截鰻魚

這引起了科學家們的興趣：能否給機器人也整一個？

機器人通常全靠“大腦”（總控制系統）來控制動作，一旦總控信號中斷，就會導致全身“癱瘓”；如果掌握鰻魚的運動技巧，就能讓運動控制變得更簡單。

對鰻魚進行分析后，研究人員發現了它的兩點特征：

其一，通過周圍神經系統，來感知環境并協調運動；其二，通過中樞神經系統，用一組神經元（神經振蕩器）產生規律的肌肉活動來抵御通信中斷。

根據這兩個特征，科學家們設計了一個波動式游動的“鰻魚”機器人。

首先，環境感知部分，即機器人的“周圍神經系統”。

研究人員設計了一組由通信電路、帶有放大器的測壓元件和纖維板構成的力學傳感器，作為機器人的“感應皮膚”，用來感知水中的動力。

這組力學傳感器被磁鐵固定在機器人的外側，與相鄰模塊連接，最終與頭部相連，它會將信號反饋給神經元，以此控制左右側“肌肉”的運動。

每個模塊的頂部，還有一個浮動元件，用于運動跟蹤。

力學傳感器和浮動元件，共同構成了機器人的“皮膚”（圖中黃色防水布外圍的黑色部件），機器人通過它們感知到水流壓力，實現貼著障礙物游動、同時避免撞上障礙物的效果。

然后，控制運動部分，即機器人的“中樞神經系統”。

這部分由10個伺服電機組成，每部分都是一個獨立電路，由搭載Linux系統的計算機、電池和被動連接模塊組成，構成控制一段肌肉的系統。

各部分控制系統完全獨立，即使某一部分損壞，剩下的模塊也能根據傳感器實現規律的肌肉活動，就像節拍器共振一樣：

運動起來非常有節奏感：

然后，再用一層防水泳衣將“中樞神經系統”裹住（外側的黃色布料），系統就做好了。

這樣的“鰻魚”機器人，真能在控制系統等部件壞掉時，正常運動嗎？

可貼墻游動，多次中斷也不停

研究人員在2米×6米×0.31米的水池里對機器人進行了測試。

接受測試的結構有4種，分別是無傳感器（CPG）、無耦合（前后部件無關聯）、無神經振蕩器、全功能（論文所提結構）。

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

從圖中來看，中斷類型分為4種：傳感器中斷、耦合中斷、神經振蕩器中斷和三種部件全部中斷。

顯然，無論是三種部件全部中斷、還是其中一種中斷的情況下，這一結構的機器人都要比其他幾種機器人架構好得多。

其他類型的幾種機器人，在面臨多個部件中斷的情況下，次數超過9次后速度就已經下降到0。

只有論文介紹的機器人結構，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，論文中提出的機器人即使在“中樞神經系統”（總控）和“周圍神經系統”（傳感器）中只有一個起作用的情況下，也能保持幾乎不變的運動速度。

只有在總控和傳感器同時、多次中斷的情況下，機器人的速度才會緩慢下降。

這項研究對于可重構和模塊化機器人非常有用，也能用于搜救和環境監測中，提高了機器人的魯棒性。

作者介紹

一作Robin Thandiackal，本科畢業于ETH（蘇黎世聯邦理工學院），博士畢業于EPFL（洛桑聯邦理工學院），目前在哈佛大學進行博士后工作。

共同一作Kamilo Melo，曾經在EPFL進行博士后工作，此后創立機器人公司KM-RoBoTa，同時仍然與EPFL進行學術合作。

其他的8名作者，則分別來自EPFL、法國南特大學數字科學實驗室（LS2N）、日本東北大學、舍布魯克大學。

除了研究鰻魚機器人以外，Kamilo Melo的公司還研究過抗摔抗掉落的蛇形機器人：

論文地址：

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

參考鏈接：

[1]https://spectrum.ieee.org/swimming-robot-eel-epfl

[2]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/past-members/thandiackal/

[3]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/melo/

— 完 —

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原標題：《鰻魚劈斷后下半身還能運動，機器人：拿來吧你丨Science子刊封面》

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