鳗鱼劈断后下半身还能运动，机器人：拿来吧你丨Science子刊封面

Posted 2021-09-08 QbitAl

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

机器人的部件通信中断后，还能正常做动作吗？

这里的部件，指传感器、通信总线、控制电路，是机器人运动的核心。

现在，一群来自EPFL的科学家在观察鳗鱼后，得出结论：可以！

他们模拟鳗鱼的结构，造了个“通信中断也能继续运动”的机器人，极大地提升了机器人的运动能力。

研究已经登上Science Robotics封面：

一起来看看。

控制&传感器中断，也能做动作

通常来说，如果动物的脊髓 （中枢神经系统）被截断，就会出现对应的肢体瘫痪。

即使是脊椎动物（如大部分鱼类），切断脊髓后也无法协调动作，运动能力严重下降。

但鱼类中的鳗鱼，在被砍断一半后，下半身还能做出游泳的动作。

△从砧板上溜走的一截鳗鱼

这引起了科学家们的兴趣：能否给机器人也整一个？

机器人通常全靠“大脑”（总控制系统）来控制动作，一旦总控信号中断，就会导致全身“瘫痪”；如果掌握鳗鱼的运动技巧，就能让运动控制变得更简单。

对鳗鱼进行分析后，研究人员发现了它的两点特征：

其一，通过周围神经系统，来感知环境并协调运动；其二，通过中枢神经系统，用一组神经元（神经振荡器）产生规律的肌肉活动来抵御通信中断。

根据这两个特征，科学家们设计了一个波动式游动的“鳗鱼”机器人。

首先，环境感知部分，即机器人的“周围神经系统”。

研究人员设计了一组由通信电路、带有放大器的测压元件和纤维板构成的力学传感器，作为机器人的“感应皮肤”，用来感知水中的动力。

这组力学传感器被磁铁固定在机器人的外侧，与相邻模块连接，最终与头部相连，它会将信号反馈给神经元，以此控制左右侧“肌肉”的运动。

每个模块的顶部，还有一个浮动元件，用于运动跟踪。

力学传感器和浮动元件，共同构成了机器人的“皮肤”（图中黄色防水布外围的黑色部件），机器人通过它们感知到水流压力，实现贴着障碍物游动、同时避免撞上障碍物的效果。

然后，控制运动部分，即机器人的“中枢神经系统”。

这部分由10个伺服电机组成，每部分都是一个独立电路，由搭载Linux系统的计算机、电池和被动连接模块组成，构成控制一段肌肉的系统。

各部分控制系统完全独立，即使某一部分损坏，剩下的模块也能根据传感器实现规律的肌肉活动，就像节拍器共振一样：

运动起来非常有节奏感：

然后，再用一层防水泳衣将“中枢神经系统”裹住（外侧的黄色布料），系统就做好了。

这样的“鳗鱼”机器人，真能在控制系统等部件坏掉时，正常运动吗？

可贴墙游动，多次中断也不停

研究人员在2米×6米×0.31米的水池里对机器人进行了测试。

接受测试的结构有4种，分别是无传感器（CPG）、无耦合（前后部件无关联）、无神经振荡器、全功能（论文所提结构）。

下图是人为短暂中断不同部件的运转后，这几种机器人速度下降的情况（图A~P），其中横轴表示中断次数：

从图中来看，中断类型分为4种：传感器中断、耦合中断、神经振荡器中断和三种部件全部中断。

显然，无论是三种部件全部中断、还是其中一种中断的情况下，这一结构的机器人都要比其他几种机器人架构好得多。

其他类型的几种机器人，在面临多个部件中断的情况下，次数超过9次后速度就已经下降到0。

只有论文介绍的机器人结构，在多部件中断9次后，还能保持0.1m/s以上的速度。

这也表明，论文中提出的机器人即使在“中枢神经系统”（总控）和“周围神经系统”（传感器）中只有一个起作用的情况下，也能保持几乎不变的运动速度。

只有在总控和传感器同时、多次中断的情况下，机器人的速度才会缓慢下降。

这项研究对于可重构和模块化机器人非常有用，也能用于搜救和环境监测中，提高了机器人的鲁棒性。

作者介绍

一作Robin Thandiackal，本科毕业于ETH（苏黎世联邦理工学院），博士毕业于EPFL（洛桑联邦理工学院），目前在哈佛大学进行博士后工作。

共同一作Kamilo Melo，曾经在EPFL进行博士后工作，此后创立机器人公司KM-RoBoTa，同时仍然与EPFL进行学术合作。

其他的8名作者，则分别来自EPFL、法国南特大学数字科学实验室（LS2N）、日本东北大学、舍布鲁克大学。

除了研究鳗鱼机器人以外，Kamilo Melo的公司还研究过抗摔抗掉落的蛇形机器人：

论文地址：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabf6354

参考链接：
[1]https://spectrum.ieee.org/swimming-robot-eel-epfl
[2]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/past-members/thandiackal/
[3]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/melo/