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模块化机器人未来或将成为现实版的阿凡达潘潜

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来源: 作者: 2019-02-22 13:21:44

本文来自于IEEE Spectrum,作者Evan Ackerman;由亿欧编译。

在研究中,我们设计了各种各样的模块化机器人。由许多不同模块组成的机器人系统通常有一个共同点,那就是共用一个“大脑”,通过“大脑”来解释模块中的传感器数据,然后为每个模块发送指令。从本质上将,具备神经系统的个体机器人将信息传递给中央大脑,这和人类工作的方式是一致的。

这种系统的工作原理在理论上来说很完美,但理想的模块化机器人用例致力于使这些机器人更加分散,这样每个模块都可以成为神经系统或大脑控制的一部分,来配合其他机器人作为一个整体完成任务。这项最新的研究发表在《自然通讯》杂志上,该研究主要提出了一个“可合并的机器人神经系统”原理,以及一个完整的模块化机器人系统的框架。

我们展示的机器人,其身体和控制系统可以合并,从而形成一个全新的机器人,并保持完整的感觉运动控制。我们的控制模式可以使机器人展示其超越任何现有机器或任何生物有机体的属性:这些机器人可以通过一个集中控制器组成一个更大的整体,也可以通过其独立的控制器分散成多个个体,而且也可以通过移除或替换故障单元来进行自我修复。通过这些工作,未来我们将能够制造出可以自主改变大小、形状和功能的机器人。

在研究中使用的机器人是Swarmanoids,它们被称为“可合并神经系统(MNS)的机器人”。Swarmanoids由三种离散型机器人组成:脚部机器人可以抓住其他机器人,进行水平移动;手部机器人有机械臂和磁力勾爪,能够垂直移动;而眼部机器人可以飞,栖息在天花板上,通过眼部的摄像头来指挥手部和脚部机器人。

一个单独的MNS机器人可以由任意数量的Swarmanoid单位组成,且MNS机器人可以根据其工作指令进行分裂或合并。每个MNS机器人都有一个模块作为大脑,但大脑模块并不局限于那个特定的模块,它可以在机器人的物理结构中进行用一双清澈明亮的眼睛移动、分裂或组合。

其中一个模块充当大脑,其余的机器人模块构成了其他神经系统。距离大脑较远的模块收集传感器数据,并将数据传递给它们的上一级模块,这些模块通过整合和精炼将数据传递到链条中。大脑模块在整体内做出所有的高层决策,这些决策又被传回到单个的执行器模块。

这种结构使MNS机器人具有非凡的灵活性和弹性,也是大多数模块化机器人所不具备的,因此不用担心单个模块的损耗性,此外,也可以对模块进行改造,添加更多的配置。

为了了解更多细节,IEEE Spectrum采访了论文的第一作者Nithin Mathews。以下是亿欧编译整理。

IEEE Spectrum:什么是机器人神经系统?神经系统在传统机器人上是如何工作的?

Nithin Mathews:感觉运动系统将机器人的中央处理单元和它的传感器及制动器连接在一起,而这个感觉运动系统就相当于机器人的神经系统,在概念层面与高级生物的神经系统相似,都是有一个大脑来控制身体。而在当今的大多数机器人中,其神经系统结构在设计之初是设定好的,但在机器人的使用寿命期间始终保持静止。

IEEE Spectrum:具有可变神经系统的机器人有什么不同之处吗?又有什么优势呢?

Nithin Mathews:想象一下,这些机器人基于彼此的同意而进行物理接触时,何尝不是自己身体的延伸呢?你能看到它们所看到的,听到它们所听到的,并移动它们的四肢,整个过程就像自己在移动一样。“合并主体”的壮举不仅对人类来说是不可能的,而且对所有自然生物来说都是不可能的。但是这一概念在科幻小说中却并不新鲜。

最著名的例子可能当属2009年詹姆斯·卡梅隆的电影《阿凡达》。在这部电影里,潘多拉烈马用其突出的神经触角来与骑乘者进行交流。骑乘者可以通过神经触角来传递运动指令,同时潘多拉烈马的感觉信息,比如疼痛感,也会立即传递给骑手。简而言之,这就是我们在机器人世界中试图创造的东西。

这种机器人有很多优点,即使当机器人的物理结构发生变化时(如处理新幸幸福福地呼吸的任务),对MNS机器人的控制也不需要任何改变。一个MNS机器人还可以在其最初部署后的很长一段时间内,自动地向其对等机器人借用物理属性——类似于电影中纳美人借用了direhorse的运动能力一样。另一个非常有用的特性是,MNS机器人可以通过自我修复过程来检测和响应硬件故障。从理论上讲,只要有备用单元和足够的能量,MNS机器人就不容易出现有故障的软件或硬件组件。

IEEE Spectrum:你能描述一下当一个MNS机器人分离时,或者两个MNS机器人合并时,会发生哪些变化吗?

Nithin Mathews:当分离发生时,意味着一个现有的整体被分为多个独立的部分,这些分离的MNS机器人能瞬间创造新的大脑单元,成为具有神经系统且功能齐全的新机器人,从而来进行新的运作。

模块化机器人未来或将成为现实版的阿凡达潘潜

当两个MNS机器人合并时,两个大脑单元和决策主体需要集成到一个机器里。假设你与四个朋友携手走向一个移动目标,这将人生如果仅去求得两点一线的一帆风顺会是多么混乱的状况,因为四个主体做决策的时候需要事先协调。但MNS机器人能够在技术层面解决这个问题,这些MNS机器人能够完美地放弃对大脑的控制或在必要时收回控制权。

IEEE Spectrum:如何将可控制的神经系统应用于未来一代的实用机器人?它们的用途是什么呢?

Nithin Mathews:对于机器人来说,可控制的神经系统未来仍有很长的路要走。首先,机器人需要物理上相互配合的应用,它们可以应用于在人体内部运作的纳米机器人,或行星上运行的机器人。例如,一个先进的人形机器人在火星上运行,它的身体和感觉运行能够与它乘坐的火星车相协调。

IEEE Spectrum:接下来的工作方向是什么呢?

Nithin Mathews:我们的重点肯定是从二维平面移动到三维空间中。为了达到这个目的,我们可能需要考虑在不同的机器人之间建立物理连接的其他方式。在当前基础上,我们还将研究其他形式的运动,比如加入双足行走、爬行、攀爬或滚动等功能。

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