日本東北大學最新機器人研究:面對物理損傷,機器人可立即適應
作者:Takeshi Kano, Eiki Sato, Tatsuya Ono, Hitoshi Aonuma, YoshiyaMatsuzaka, Akio Ishiguro
「雷克世界」編譯:嗯~阿童木呀、朵拉A亮
機器人設計中的主要挑戰是使機器人能夠立即適應意外的物理損傷。
機器人現在被要求在人類無法進入的惡劣環境中工作,例如災區、遙遠的行星和深海。這方面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畫程式,
在本文中,我們關注的是海蛇尾(brittle star),它屬於棘皮動物門(a phylum of echinoderm),通過協調其五個多節段觸手的移動節奏在在海床上運動,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地特徵:首先,海蛇尾缺乏一個中樞神經系統,取而代之的是一個相當簡單的分散式神經系統,由沿其觸手的放射神經組成,它們連接一個環形神經環如圖1b所示。儘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,並協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,它也能夠立即對餘下的觸手進行重新分配角色和協調從而恢復運動如圖1c所示。這些特徵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。
海尾蛇的身體結構和運動。(a)海蛇尾(巨綠蛇尾,Ophiarachna incrassata)的概述,從一個中央碟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。(b)海蛇尾的微型電腦斷層掃描圖像。神經系統用粉紅線表示。支配觸手的橈神經(Radial nerves)通過位於中心盤上的環形神經環連接。(c)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。(d)胳膊被修剪或截肢的海蛇尾的運動。對七種類型的形態學(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,我們採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,基於這個生物的解剖和行為發現,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於海蛇尾的機器人中實現的,以證明它可以通過協調手臂的方式來適應物理損傷,就像一個活的海蛇尾那樣。我們之所以採用這種方法,是因為難以從生理上檢查海蛇尾所表現出的神經肌肉系統的功能,並且即使有可能,也很難從單個神經元和肌肉的功能中重建機體的複雜行為。我們方法的優點在於,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—觸手式協調機制實現的,它是一個具有可消耗性身體部位的原始生物。
我們認為,所提出的控制方案並不局限於我們海蛇尾狀機器人的應用,而是有更廣泛的應用範圍,儘管仍然存在局限性。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:有幾個分散式控制器,如果局部感官資訊能夠與期望進行適當的匹配,則每個分散式控制器產生的動作就會增強,反之亦然。這種設計觀點的優點在於,它不涉及整個系統的複雜優化問題的解決方案,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即時適應物理損傷,並適用于諸如災難場景等不可預見的情況。
其實,我們的發現也具有生物學意義。這項研究表明,觸手的協調是通過物理交互產生的。如圖1d(A)所示,對於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週期性同步運動的原因如圖9所示。當其中一隻觸手碰到地面時,如圖9a所示;由於平衡力矩產生,中心盤開始旋轉(圖9b);然後,由於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9c);因此,局部反射開始起作用,使其擊中地面(圖9d)。所以,兩隻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,物理交互也可以用於身體部位的協調,從而使其能夠快速進行傷害反應。
對內部觸手協調機制的定性解釋。(a)假設觸手1朝向運動方向(黑箭頭),而觸手5撞向地面(紅色箭頭)。(b)由於產生的平衡力矩(白色箭頭),中中心盤開始旋轉。(c)由於觸手2的近端位移,作用於其尖端的輔助反作用力增加(粗黑箭頭)。(d)局部反射作用使觸手2撞向地面上(紅色箭頭)。這種物理交互作用使得觸手2和5同時撞向地面。
有人提出,動物適應性和彈性運動是由神經系統、身體和環境之間的密切相互作用產生的。然而,這種運動的基本機制仍然是未知的。根據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肌肉骨骼功能進行更深入的理解。
原文連結:http://rsos.royalsocietypublishing.org/content/4/12/171200
它們連接一個環形神經環如圖1b所示。儘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,並協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,它也能夠立即對餘下的觸手進行重新分配角色和協調從而恢復運動如圖1c所示。這些特徵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。海尾蛇的身體結構和運動。(a)海蛇尾(巨綠蛇尾,Ophiarachna incrassata)的概述,從一個中央碟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。(b)海蛇尾的微型電腦斷層掃描圖像。神經系統用粉紅線表示。支配觸手的橈神經(Radial nerves)通過位於中心盤上的環形神經環連接。(c)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。(d)胳膊被修剪或截肢的海蛇尾的運動。對七種類型的形態學(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,我們採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,基於這個生物的解剖和行為發現,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於海蛇尾的機器人中實現的,以證明它可以通過協調手臂的方式來適應物理損傷,就像一個活的海蛇尾那樣。我們之所以採用這種方法,是因為難以從生理上檢查海蛇尾所表現出的神經肌肉系統的功能,並且即使有可能,也很難從單個神經元和肌肉的功能中重建機體的複雜行為。我們方法的優點在於,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—觸手式協調機制實現的,它是一個具有可消耗性身體部位的原始生物。
我們認為,所提出的控制方案並不局限於我們海蛇尾狀機器人的應用,而是有更廣泛的應用範圍,儘管仍然存在局限性。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:有幾個分散式控制器,如果局部感官資訊能夠與期望進行適當的匹配,則每個分散式控制器產生的動作就會增強,反之亦然。這種設計觀點的優點在於,它不涉及整個系統的複雜優化問題的解決方案,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即時適應物理損傷,並適用于諸如災難場景等不可預見的情況。
其實,我們的發現也具有生物學意義。這項研究表明,觸手的協調是通過物理交互產生的。如圖1d(A)所示,對於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週期性同步運動的原因如圖9所示。當其中一隻觸手碰到地面時,如圖9a所示;由於平衡力矩產生,中心盤開始旋轉(圖9b);然後,由於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9c);因此,局部反射開始起作用,使其擊中地面(圖9d)。所以,兩隻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,物理交互也可以用於身體部位的協調,從而使其能夠快速進行傷害反應。
對內部觸手協調機制的定性解釋。(a)假設觸手1朝向運動方向(黑箭頭),而觸手5撞向地面(紅色箭頭)。(b)由於產生的平衡力矩(白色箭頭),中中心盤開始旋轉。(c)由於觸手2的近端位移,作用於其尖端的輔助反作用力增加(粗黑箭頭)。(d)局部反射作用使觸手2撞向地面上(紅色箭頭)。這種物理交互作用使得觸手2和5同時撞向地面。
有人提出,動物適應性和彈性運動是由神經系統、身體和環境之間的密切相互作用產生的。然而,這種運動的基本機制仍然是未知的。根據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肌肉骨骼功能進行更深入的理解。
原文連結:http://rsos.royalsocietypublishing.org/content/4/12/171200