Science Robotics 最新封面論文:無電子元件,軟體機器人如何行走?

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 06 日 0:00 | 分類 尖端科技 , 機器人 Telegram share ! follow us in feedly


最新一期 Science Robotics 的封面上,出現了一隻四足機器人。

據說這款機器人的研發靈感正是源於自然界中的烏龜,這麼一說還真有點像!

(Source:影片截圖)

外形上,它就像是用粗細不一的塑膠管拼接而成,似乎有點不太高級的樣子,不過這堆「塑膠」既然能登上機器人領域頂刊封面,也是有兩把刷子的——不同於大多數的軟體機器人,這款機器人並非由機電組件控制,通過軟閥組成的環形振盪器就能動起來。

2021 年 2 月 17 日,相關研究成果以《Electronics-free pneumatic circuits for controlling soft-legged robots(控制軟體足機器人的無電子氣動電路)》為題正式發表於 Science Robotics,並登上當期封面。論文作者來自美國加州大學聖地牙哥分校機械工程系和材料科學與工程專業。

無電子元件的機器人

研究背景

氣動軟體機器人(pneumatically actuated soft robots)有著很好的環境適應能力。

在機器人與自動化國際會議 ICRA 2017 上,加州大學聖地牙哥分校機器人實驗室就曾公布了一款 3D 列印的軟體四足機器人,研究團隊宣稱這款機器人能夠征服所有地形。

(Source:影片截圖)

這一機器人靠氣體驅動,每條腿都由 3 條可伸縮的充氣橡皮管製造而成,四條腿呈 X 形相連,通過充氣或排氣的設計就能走起路來。

如下圖所示,不少機器人都是受機電組件(例如閥門和泵)控制,而通常情況下機電組件既笨重又昂貴。

(Source:影片截圖)

基於此,研究團隊利用軟閥設計了一種環形振盪器(oscillators)。

工作原理

振盪器可以被用來產生重複電子訊號,它是一種能量轉換裝置,能將直流電能轉換為一定頻率的交流電能。

通過這樣的一個環形振盪器,就能產生振盪信號(oscillating signals),接著振盪信號由氣動邏輯元件響應感測器輸入,步態產生。

雷鋒網了解到,產生振盪信號的一過程類似於包括四足動物在內的自然有機體使用中樞模式發生器(CPGs)實現行走、飛行和游泳等四肢重複運動。

通常情況下,這一過程由感覺反饋介導,但 CPG 的結構基本上只是一個重複迴路,驅動肌肉按順序產生穩定、持續的步態。在這種情況下,氣動肌肉被驅動成相反的一對,形成一個對角(線)雙步態,呈對角的兩條腿同時向前和向後旋轉。

(Source:Science Robotics,下同)

論文介紹,這款機器人的每條腿都有 3 個自由度,需要一個恆定的壓縮空氣源來支撐控制系統和驅動系統。

具體來講,研究人員成功地將壓力源(可以是一根繩子,也可以是一個內置的二氧化碳插裝盒)通過一個完全由軟性材料製成的振盪三通閥迴路引導到四條腿上,而每條腿上都有三個不同的氣室。

那麼,振盪三通閥迴路的原理如何呢?

據了解,迴路本身由三個雙穩態氣動閥門組成,閥門通過管道相連接,通過管道對氣體的流動提供阻力(可通過改變管道長度和內徑來調節)。

在一項實驗中,研究人員發現:

  • 使用 3 個氣動記憶元件(閥門)即可控制基本步態;
  • 通過 2 個振盪器電路(7 個閥門),即可將運動速度提高 270%。

研究人員設計了一個氣動記憶元件,模擬一個雙極雙擲開關(double-pole double-throw switch,DPDT switch,雙刀雙擲開關是具有 2 個輸入和 4 個輸出的開關,每個輸入都有 2 個對應的輸出)。

此外,他們還演示了一個允許機器人在步態之間進行全方位運動和響應感測器輸入的控制電路。

值得一提的是,NASA 噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)正在開發的一款金星探測器雖然並非軟體機器人,但由於不能依賴於傳統的電子系統來進行自主導航或控制,因而也是以類似的方式運行。IEEE Spectrum 報導稱:

事實證明,要想使機器人完成相對複雜的自主行為,可以有很多聰明的方法。

軟體機器人如何發展?

一般而言,所謂的軟體機器人都不是我們想像中那樣的通體由軟性材料構成,這是因為開發出柔性的供能、控制元件(例如柔性電池和電路板)一直是一大難點。

而上述機器人最酷的地方就在於另闢蹊徑實現了步態控制。

研究團隊表示:

這項研究是邁向完全自主無電子元件機器人應用的一步,不論是低成本娛樂機器人的發展,還是在極端環境下機器人的應用,這款研究都起到了推動作用。

其實這一突破並非首次實現——早在 2016 年,哈佛大學維斯生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)也曾設計了一款軟體機器人,號稱「世界第一個完全軟體的且自我驅動的機器人」。

(Source:Wyss

據相關論文介紹,這只全軟體「小章魚」無需外界給予任何控制、刺激,可以獨立運行 4-8 分鐘。它真正具有里程碑意義的特點就在於:可以在沒有電池和電路板的情況下自我驅動。

即便如此,軟體機器人的發展依然較為緩慢,正如 IEEE Spectrum 的觀點:

本質上,軟體機器人應該是安全的、靈活的、非常便宜的,這些特徵使其有望得到廣泛應用。但相對於其他領域的機器人,軟體機器人發展較慢,其中一個原因就是軟體機器人不能直接受益於過去幾十年裡算力、感測器和致動器等的顯著發展。

無疑,軟體機器人的發展離不開包括材料學、機器人學、生物力學、感測與控制在內的多學科進步,隨著相關學科近年來的迅速發展,各種不同驅動方式的軟體機器人開始湧現。

未來軟體機器人還會有何突破,將保持關注。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:UCSD

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