打破舊思維!能自由生長的「機器人」不避障也會導航

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 09 日 10:15 | 分類 尖端科技 , 材料 , 機器人 Telegram share ! follow us in feedly


2017 年 7 月《Science Robotics》封面,有款機器人外形像長條狀塑膠袋,前端配備小顆攝影鏡頭,整體給人廉價粗糙感。

既然能登上頂級期刊封面,由美國史丹佛大學機械工程系聯合加州大學聖巴巴拉分校機械工程系打造的機器人自然有兩把刷子。機器人就像一根藤蔓,不斷向前延伸。

(Source:影片截圖,下同)

除了向前延伸,還會轉彎。

能撐起一個重量100公斤的木箱,未來可在搜索救援、醫療救護等環境大顯身手。

過去4年,研究團隊對機器人導航沒少下工夫,如今「機器藤蔓」甚至可利用障礙物規畫路徑了。最新研究成果發表題為《Robust Navigation of a Soft Growing Robot by Exploiting Contact with the Environment》(利用與環境接觸的軟性生長機器人的強健性導航)。

「機器藤蔓」如何自由生長?

先了解一下機器人如何「自由生長」。2017年7月論文顯示,機器人設計受藤蔓、真菌和神經細胞等生物啟發:

這些生物體藉由生長而非運動駕馭所處環境。特徵在於身體其中一端向外延伸,長度成倍增加,且還能主動控制生長方向,因此形成有用的三維結構,有在嚴格受限環境移動的能力。

研究團隊設計的軟體氣動機器人外部是一根軟性材料製成的透明管,內部材料未延伸時呈摺疊狀。外形讓人想到美國通用電氣受蚯蚓和樹根啟發、為美國國防部高級研究計劃局(DARPA)研發的用於軍事行動的快速隧道挖掘機器人

但不難發現,史丹佛團隊的機器人更具靈活性。機器人內部材料,官方介紹是:

原型用到的是又薄又便宜的塑膠,注入加壓空氣時,塑膠就會展開;不過其他版本,我們用流體代替空氣。

做這款機器人主要基於兩方面原理。一,基於用承壓流體驅動材料原理,研究團隊為機器人設計倒置薄壁「外衣」,透過內部施壓,機器人能由頂端延伸。

二,基於延長時不對稱性,研究團隊設計環境刺激感測系統,可主動控制方向,簡單講就是,機器人藉由縮短身體一側驅動,只有這樣機器人才有轉彎能力。

「機器藤蔓」如何規劃路徑?

實際應用時機器人如何導航?

對剛性機器人而言,與障礙物產生碰撞無疑較危險,比軟體機器人有低慣性,身體也更柔軟,因此研究團隊認為,科學家特地約束機器人、避免碰撞其實不必要,有時反而限制機器人運動能力。特別是搜索救援等情況,機器人要在混亂或受限環境自我導航,碰到障礙物不可避免。

因此研究團隊方法是,用經驗運動學模型(empirical kinematic model)數學化描述「機器藤蔓」與環境互動方式。藉由模型,研究團隊開發出規劃機器人路徑的方法。

研究團隊稱之為「啟發式模型」(heuristic model),這是因障礙物可被動引導機器人,減少運動過程的不確定性。如下圖所示,紅色線條對應未經最佳化的機器人運動路徑,藍色則代表最佳化後結果。

(Source:arXiv.org

這張圖可更清楚看到路線調整。

(Source:影片截圖)

這方法並不是要避免機器人與環境接觸,而是遇到障礙物時,善於利用障礙接觸,對導航產生積極作用。實驗也表明:

與避免所有障礙接觸的規劃方式相比,考慮並善用障礙接觸的規劃方式產生的路徑,對不確定性表現更佳。

路徑規劃方法把機器人身體操控轉移到環境,機器人所需驅動減少。可見史丹佛大學的最新研究使軟體機器人導航有進一步突破。

關於作者

論文作者包括IEEE Fellow、史丹佛大學機械工程系電腦科學專業教授Allison M. Okamura,即《IEEE Robotics and Automation Letters》雜誌主編,曾是約翰霍普金斯大學機械工程系教授、副主席。

1994年,Allison M. Okamura獲加州大學柏克萊分校理學學士學位,1996、2000年分別獲得史丹佛大學機械工程碩士和博士學位。

主要研究領域包括觸覺學、遠端操作、虛擬環境和模擬器、醫療機器人、軟體機器人、神經力學和康復、修復術與教育等等。曾獲2020年IEEE醫學與生物工程學會技術成就獎、2019年IEEE機器人與自動化學會傑出服務獎、2005年IEEE機器人與自動化學會早期學術生涯獎等獎項。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:史丹佛大學

延伸閱讀: