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蟑螂被玩坏了!歪果仁用蟑螂研究机器人稳定性获突破,荣登自然杂志!

2019-08-27 09:17 来源:中国机器人网 作者:刘众楷 评0 0
  哇,一只蟑螂!但它在苍蝇拍出现之前就已经消失了。现在,研究人员抓住了他们能找到的蟑螂,并利用这种讨厌臭虫的精湛技术创造了一种简单易行的方法来评估和改善机器人的运动。
 
  这不是科学家们第一次这样玩蟑螂玩出成绩,7月31日曾刊登在Science Robotics期刊的一个中国电子科技大学的研究也提到,研究人员通过研究蟑螂,让重量不到十分之一克的机器人可以承受大约60千克的重量,而这大约是机器人重量的100万倍。
 

 
  通常,机器人仿生学需要对机械学,电子学和信息科学进行繁琐的建模,以了解昆虫或机器人的运动部件如何平滑地协调以取得它们的位置。但在一项新的研究中,佐治亚理工学院的生物力学研究人员将蟑螂的冲刺归结为方便的原理和方程式,然后他们用这些原理和方程式使测试机器人变得更好。
 
  该方法告诉研究人员,每条腿如何独立运作,它们如何整体融合在一起,以及它们如何做到和谐或缺乏。尽管虫子和机器人的运动动态完全不同,但这种方法既适用于其他机器人,也适用于其他机器人和动物。
 
  生物机器人,蟑螂,是远远优越的跑步者,神经系统信号引导六条无可挑剔的进化腿。机械机器人,一个消费者模型,有四条粗短的腿,没有神经系统,但依靠运动控制粗略物理力通过其底盘作为粗略信号粗略协调其笨重的步态。
 
  “机器人体积更大,几乎感觉不到它的环境。蟑螂有很多感官,可以更好地适应崎岖的地形,臀部高达臀部不会慢下来,”该研究的第一作者Izaak Neveln说。在研究期间,他是乔治亚理工学院Simon Sponberg实验室的博士后研究员。
 
  高级简约
 
  正如研究所称,这种方法或“措施”超越了这些巨大的差异,这些差异遍及动物风格的机器人。该研究的作者写道:“该测量是一般的(通用的),无论信号是神经尖峰模式,运动学,电压或力,都可以使用它,并且不依赖于信号之间的特定关系。”
 
  无论错误或机器人如何运作,度量的数学输入和输出总是在相同的单位。该措施并不总能消除对建模的需求,但它可以缩短和指导建模并避免令人痛苦的失误。
 
  作者于2019年8月在Nature Communications杂志上发表了这项研究。该研究由美国国家科学基金会资助。Sponberg是佐治亚理工学院物理学院和生物科学学院的助理教授。使得蟑螂腿的摆动可以像摆锤一样摆动成正弦波。这些导致对昆虫运动的更好的数学理解。
 

(图片来源:Georgia Tech / Sponberg / Neveln)
 
  集中化与分散化
 
  通常,机器人或动物通过中央系统发送许多行走信号以协调运动,但并非所有信号都是集中的。即使在人类中,虽然运动强烈依赖于来自中枢神经系统的信号,但是一些神经信号被限制在身体的区域; 他们是本地化的信号。
 
  一些昆虫似乎移动时很少集中 - 例如棍状虫,也称为手杖,其腿几乎独立地刺激。棒虫是不稳定的跑步者。“这个想法一直是棍子虫对运动有更多的局部控制,而蟑螂的速度非常快,需要保持稳定,而且它的运动控制可能更集中,更像钟表,”Neveln说。
 
  信号的强中心化通常更好地协调运动。它可能是代码通过精心设计的机器人布线,蟑螂的中央神经元同步它的腿,或笨重的机器人的底盘倾斜远离腿撞击地面,从而将重量放在相对的腿上。机器人专家需要了解差异并找出运动的局部和中心信号的相互作用。
 
  酷物理
 
  新的“措施”通过专注于行走腿中的总体现象来实现这一点,这可以看作是来回摆动的摆动。为了实现良好的运动,它们需要在所谓的相位耦合振荡中进行同步。
 
  一个有趣,简单的实验说明了这个物理原理。如果钢琴老师使用的一些节拍器 - 节拍器 - 摆动不同步,并将它们全部放在一个随着节拍器摆动而自由摆动的平台上,则摆动将同步同步。
 
  它们的振荡的相位或方向通过将它们的复合机械脉冲集中在平台上而彼此耦合。相位耦合的这个特定例子是机械的,但它在蟑螂中也可以是计算的或神经学的。它的腿类似于摆动的节拍器,以及类似于自由摇摆平台的中枢神经肌肉活动。在蟑螂中,并非所有六条腿都朝同一方向摆动。
 
  “他们的同步不均匀。三条腿相互同步 - 一侧的前腿和后腿与另一侧的中腿同步 - 这三条腿与其他三条腿同步异相,”Neveln说道。 。“这是一个交替的三脚架步态。三条腿的三脚架与三条腿的另一个三脚架交替。”
 
  无用的pogoing
 
  就像钟摆一样,每条腿的摆动都可以画成波浪。所有腿部的波浪都可以平均成一个整体的蟑螂波浪,然后发展成更有用的数学,将集中化与分散化和熵等因素联系起来,这可以使运动控制失效。
 
  由此产生的原理和数学使笨重的机器人受益,它的腿部马达具有强大的分散信号,对腿部与地面的接触作出反应,并且集中控制比棒虫更弱。研究人员也绘制了机器人的动作,但它们并没有导致蟑螂的波浪整齐地同步。
 
  研究人员将这些原理和数学转向了笨重的机器人,这种机器人最初是像弹簧高跷一样无用的或无用的跳跃。然后,科学家通过重新加权其底盘来加强集中控制,使其更加连贯。
 
  “平台上的节拍器是机械耦合,我们的机器人协调控制,”Neveln说。“你可以通过重新定位它的重量来改变机器人的机械耦合。我们能够通过使用我们从蟑螂开发的测量来预测这将产生的变化。”
 
  蟑螂惊喜
 
  研究人员还将特定的蟑螂肌和神经元连接起来,观察它们与匆匆波的切分。十七只蟑螂花了2,982个步伐来告知原理和数学,这些错误也给研究人员带来了惊喜。
 
  一个问题突出:当蟑螂加速时,科学家们认为信号集中更多,但相反,中央和本地信号都得到了加强,可能会加倍运行!
 
  据了解,此项研究可能应用在人形机器人和类人形机器人的腿部,帮助其提升稳定性和移动频率。
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