種八喜：給機(jī)器人“加腿”

劉如楠

種八喜很難說清靈感是什么時(shí)候爆發(fā)的，也許是在觀察蜈蚣時(shí)，也許是在和妻子散步時(shí)，又或者是在洗澡時(shí)。

傳感器對機(jī)器人來說至關(guān)重要，它賦予了機(jī)器人視、力、觸、嗅、味等感知能力。美國佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院博士后種八喜提出了一個(gè)大膽的想法：“去掉這些傳感器，給機(jī)器人增加足夠多的腿，是不是也能使其穩(wěn)步前進(jìn)？”

在這項(xiàng)研究中，種八喜等人通過數(shù)學(xué)、物理建模，提出了一個(gè)“物質(zhì)運(yùn)輸”理論框架：給機(jī)器人增加腿腳，即空間冗余，可以提高它在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)健移動的能力。這種空間冗余使機(jī)器人無須傳感器也能移動。

機(jī)器人通常有2條或4條腿，借助遍布全身的視覺、觸覺等傳感器和計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的感知和運(yùn)動。多年來，依靠這樣的路徑，大家研發(fā)出適用于各種場景的機(jī)器人。在人工智能技術(shù)的推動下，這一領(lǐng)域越發(fā)火熱，很快聚集了大批追隨者。

長久的觀察，引發(fā)種八喜和同學(xué)不斷思考：這些動物有的4條腿，有的8條腿，有的幾十條腿，還有的沒有腿，它們都能行動自如。機(jī)器人是不是也可以像它們那樣，擁有8條腿甚至幾十條腿呢？

經(jīng)過幾年的實(shí)踐和積累，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出擁有多條腿的“蜈蚣機(jī)器人”。“每多一條腿，都涉及與身體其他部位的配合協(xié)調(diào)問題，都要重新建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量更是呈指數(shù)級增長?！狈N八喜說。

而比工作量增加更關(guān)鍵的問題是：多了這么多條腿有什么用？在4條腿夠用的情況下，為何要使其變得更復(fù)雜？

種八喜思維活躍，腦子里總會不斷冒出新想法。而當(dāng)缺乏靈感時(shí)，他常常會回歸觀察。

在不斷的觀察和思考中，他靈機(jī)一動——蜈蚣機(jī)器人有這么多條腿，是否不再需要傳感器？不必精確計(jì)算前方障礙物的大小和距離？

這天，導(dǎo)師給種八喜推薦了一本《信息論概述》?；氐郊?，他驚喜地發(fā)現(xiàn)，這本書就躺在妻子的書架上。種八喜的妻子是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)博士，對信息論頗有研究。

受此啟發(fā)，種八喜等人將機(jī)器人的身體看作被傳輸?shù)摹靶畔ⅰ保ㄟ^數(shù)學(xué)、物理建模，提出了一個(gè)“物質(zhì)運(yùn)輸”理論框架：給機(jī)器人增加腿腳，即空間冗余，可以提高它在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)健移動的能力。這種空間冗余使機(jī)器人無須傳感器也能移動。

“就算有一條腿踏空，其余的腿也能幫助它移動前行。像是拔河比賽時(shí)，一兩個(gè)人突然絆倒并不會改變整體的移動方向。”種八喜解釋說。

目前，學(xué)界和業(yè)界對于機(jī)器人移動的研究大多圍繞傳感器展開，利用視覺、力覺、聽覺、接近覺、超聲波等各類傳感器，使機(jī)器人能夠完成復(fù)雜工作。環(huán)境越多變、工作越復(fù)雜，對傳感器的精度要求就越高。

為了驗(yàn)證蜈蚣機(jī)器人的運(yùn)動性能，研究團(tuán)隊(duì)建造起復(fù)雜地形模型，通過不斷增加腿的數(shù)量進(jìn)行測試，最終從6條增加到16條。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腿數(shù)達(dá)到12條時(shí)，機(jī)器人便可平穩(wěn)通過地形模型。

隨后，他們把機(jī)器人帶到草叢和石堆中，在真實(shí)環(huán)境中再次測試，它依然表現(xiàn)出色。

面對這個(gè)能穿越狹小空間的蜈蚣機(jī)器人，種八喜總會想起2008年汶川地震時(shí)的場景。當(dāng)時(shí)的他正在重慶讀初二，地震發(fā)生后有許多人被困，當(dāng)時(shí)的慘狀讓他印象深刻?！爱?dāng)時(shí)我就在想，有什么辦法能夠幫助他們？”種八喜說。

這像一粒種子埋進(jìn)了他的心里，15年后，這顆種子開了花。

舍棄了昂貴的傳感器，蜈蚣機(jī)器人的成本大幅降低，僅需1000美元。目前，這一機(jī)器人已被應(yīng)用到導(dǎo)師及合伙人開設(shè)的農(nóng)業(yè)公司，將用于那些無法使用除草劑的農(nóng)田的除草工作。

“我們正在對蜈蚣機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化，希望能根據(jù)實(shí)際需要確定其最佳腿數(shù)，在復(fù)雜系統(tǒng)中尋求能量、速度、功率、穩(wěn)定性之間的平衡，以便更加經(jīng)濟(jì)高效?！狈N八喜說，“相信未來它能夠用于復(fù)雜地形的救援工作?！?/p>