機器人在很多領域都充當著代替人類執(zhí)行危險任務的角色,而這也是導致機器人會經(jīng)常受傷的主要原因。對于不可預知的物理損傷,過去通常要耗費大量的時間和計算成本。然而日本東北大學的一項最新研究成果表明,機器人可以像海蛇尾(brittle star)那樣自如地應對物理損傷,從而更好地適應極端惡劣環(huán)境。
機器人設計中的主要挑戰(zhàn)是使機器人能夠立即適應意外的物理損傷。然而,傳統(tǒng)的機器人需要相當長的時間(超過幾十秒)來適應,因為該過程需要高昂的計算成本。為了克服這個問題,我們專注于海蛇尾——一種具有可損耗性身體部分的原始生物。一般來說,大部分海蛇尾具有五個靈活的觸手,偶爾會斷掉幾個觸手,并迅速協(xié)調其余的觸手以逃離掠食者。我們采用綜合的方法來闡明這種彈性運動的基本機制。具體而言,基于海蛇尾的各種斷觸手方式,通過建立簡單的數(shù)學模型,推導出分散控制機制,自動協(xié)調觸手運動。我們在類似海蛇尾的機器人中實現(xiàn)了這個機制,并且能證明通過自動協(xié)調與海蛇尾相似的未損壞的觸手,在幾秒鐘之內適應了意想不到的物理損傷。通過上述過程,我們發(fā)現(xiàn),觸手之間的物理交互對于海蛇尾的彈性觸手之間的協(xié)調起著至關重要的作用。這一發(fā)現(xiàn)將有助于開發(fā)可在惡劣環(huán)境下工作的有彈性的機器人。此外,還對動物運動的彈性協(xié)調運動的本質機制進行了深入的研究。
機器人現(xiàn)在被要求在人類無法進入的惡劣環(huán)境中工作,例如災區(qū)、遙遠的行星和深海。解決這方面工作的一個主要障礙就是機器人無法應對身體的物理損傷。一種可能的解決方案是預先設定預期故障模式的應急計劃程序,但這種方法非突發(fā)事件下不起作用。工程師們試圖用一些技術來克服這個問題,比如學習和試錯法。然而,這些方法需要相當長的時間(幾十秒到幾分鐘)來應對意想不到的物理損壞,同時造成高昂的計算成本。相比之下,活的生物體通過及時應對意外的物理損傷從而在惡劣的環(huán)境中得以生存。這里的關鍵點是,即使是從變形蟲到線蟲等原始生物,通過適當?shù)貐f(xié)調它們的身體部位來表現(xiàn)出這種適應性。這一事實表明,與傳統(tǒng)機器人中使用的控制方案不同,這種以意想不到的物理損傷的實時響應可以用少量的計算成本來實現(xiàn)。因此,明確生物體內彈性協(xié)調運動的核心機制,可以為研制能夠立即應對意外物理損傷的機器人鋪平道路。
在本文中,我們關注的是海蛇尾,它屬于棘皮動物門類(a phylum of echinoderm),通過協(xié)調其五個多節(jié)段觸手的移動節(jié)奏在海床上運動,如圖1a所示。我們之所以將該物種的運動作為適應性機器人的生物模型進行研究,是因為它有兩個顯著的特征:首先,海蛇尾缺乏一個中樞神經(jīng)系統(tǒng),取而代之的是一個相當簡單的分布式神經(jīng)系統(tǒng),由沿其觸手的放射神經(jīng)組成,它們連接一個環(huán)形神經(jīng)環(huán)如圖1b所示。盡管缺乏一個精密的集中控制器,但它能夠為不同的觸手分配不同的角色,并協(xié)調其運動來推動身體。其次,這個物種對身體傷害具有出色的恢復能力,即使是丟失了任意一個觸手,它也能夠立即對余下的觸手進行重新分配角色和協(xié)調從而恢復運動如圖1c所示。這些特征使其成為一個合適的模型,克服先前提出的技術中所存在的局限性。
海蛇尾的身體結構和運動。圖1a海蛇尾(巨綠蛇尾,Ophiarachna incrassata)的概述,從一個中央盤片放射出五個靈活的觸手,一個完整的海蛇尾的主體是徑向對稱的。圖1b海蛇尾的微型計算機斷層掃描圖像。神經(jīng)系統(tǒng)用粉紅線表示。支配觸手的橈神經(jīng)(Radial nerves)通過位于中心盤上的環(huán)形神經(jīng)環(huán)連接。圖1c當使用高滲海水而海蛇尾觸手尖端被固定時,它的一個觸手就會自動地將其中一個觸手自動化。圖1d胳膊被修剪或截肢的海蛇尾的運動。對七種類型的形態(tài)學(A-G)進行了測試,其運動的方向是從左到右。照片每隔0.5-1.0秒拍攝一次,箭頭表示的是為運動做出主要貢獻的觸手。
在這項研究中,我們采用了一種綜合方法來推斷這種分散的控制機制,這種控制機制是海蛇尾運動具有韌性的基礎。具體而言,基于這個生物的解剖和行為發(fā)現(xiàn),我們從宏觀的角度構建了一個簡單的模型,推斷出海蛇尾運動的分散控制機制。這個推斷機制是在一個類似于海蛇尾的機器人(圖2)中實現(xiàn)的,以證明它可以通過協(xié)調手臂的方式來適應物理損傷,就像一個活的海蛇尾那樣。我們之所以采用這種方法,是因為難以從生理上檢查海蛇尾所表現(xiàn)出的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的功能,并且即使有可能,也很難從單個神經(jīng)元和肌肉的功能中重建機體的復雜行為。我們的方法的優(yōu)點在于,它能使我們捕捉到可能的基本機制,或是海蛇尾的彈性運動的最低要求。
實驗結果展示了我們的機器人可以在幾秒鐘內適應物理損傷,而沒有任何預測故障模式的應急方案。因此,它比傳統(tǒng)的機器人快得多,其適應時間可能為幾十秒到幾分鐘。這個巨大的改進是通過利用一個海蛇尾的內部——觸手式協(xié)調機制實現(xiàn)的,它是一個具有可消耗性身體部位的原始生物。
我們認為,所提出的控制方案并不局限于我們海蛇尾狀機器人的應用,而是有更廣泛的應用范圍,盡管仍然存在局限性。實際上,我們可以從一個更廣泛的設計角度來解釋該設計方案:有幾個分布式控制器,如果局部感官信息能夠與期望進行適當?shù)钠ヅ?,則每個分布式控制器產(chǎn)生的動作就會增強,反之亦然。這種設計觀點的優(yōu)點在于,它不涉及整個系統(tǒng)的復雜優(yōu)化問題的解決方案,而只需要在局部上進行少量的計算。因此,這種設計有望使機器人能夠實時適應物理損傷,并適用于諸如災難場景等不可預見的情況。
其實,我們的發(fā)現(xiàn)也具有生物學意義。這項研究表明,觸手的協(xié)調是通過物理交互產(chǎn)生的。如圖1d(A)所示,對于其五個觸手被削弱的受試者來說,與導向運動方向的觸手相鄰的兩個觸手之所以呈現(xiàn)周期性同步運動的原因如圖3所示。當其中一只觸手碰到地面時,如圖3a所示;由于平衡力矩產(chǎn)生,中心盤開始旋轉(圖3b);然后,由于另一個觸手的近端末端的位移,作用在其末端的輔助反作用力增加(圖3c);因此,局部反射開始起作用,使其擊中地面(圖3d)。所以,兩只觸手往往同時擊中地面。從這一點考慮,我們可以得出這樣的結論:在海蛇尾中,雖然神經(jīng)控制可能起到一定的作用,但是物理相互作用可能是它內部觸手間相互協(xié)調的必要條件。雖然在其他研究中也提出了物理交互的重要性,但是這項研究表明,物理交互也可以用于身體部位的協(xié)調,從而使其能夠快速進行傷害反應。
有人提出,動物適應性和彈性運動是由神經(jīng)系統(tǒng)、身體和環(huán)境之間的密切相互作用產(chǎn)生的。然而,這種運動的基本機制仍然是未知的。根據(jù)本文所描述的海蛇尾的分散控制機制,我們可以確定適應性和彈性運動的基本原理,與此同時,這還可以促進對動物中固有的神經(jīng)肌肉骨骼功能進行更深入的理解。