作者:刘如楠 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/5/19 22:11:35
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90后博士首发Science:受妻子启发,实验只花2个月

 

种八喜很难说清灵感是什么时候爆发的,也许是在观察蜥蜴的时候,也许是在和妻子散步的时候,又或者是在洗澡的时候。

传感器赋予了机器人视、力、触、嗅、味等感知能力,对机器人来说至关重要。种八喜却提出了一个大胆的想法,“去掉这些传感器,给机器人增加足够多的腿,是不是也能使其稳步前进?”

他抓住了这个想法,立刻进行验证。经过2个月实验、2个月写作、4个月投稿,29岁的种八喜作为第一作者,收获了人生第一篇Science论文。

在这项研究中,美国佐治亚理工学院物理学院博士后种八喜等人通过数学、物理建模,提出了一个“物质运输”理论框架:给机器人增加腿脚,即空间冗余,可以提高它在复杂环境中稳健移动的能力。这种冗余使机器人无需传感器也能移动。

这给机器人研发开辟了一个全新的方向。5月5日,这篇论文在Science杂志在线发表。

种八喜和妻子 (受访者供图,下同)

从观察蜈蚣到“蜈蚣机器人”

从读博士起,种八喜就致力于探究机器人运动背后的数学及物理原理。

通常的机器人有2条或4条腿,借助遍布全身的视觉、触觉等传感器和计算系统,实现对周围环境的感知和运动。多年来,依靠这样的路径,大家研发出了适用于各种场景的机器人。在人工智能技术的推动下,这一领域愈发“火热”,很快聚集起了大批追随者。

“当我做了一些相关的课题,发现自己对此并不感兴趣。比起智能算法的‘黑匣子’,我更想通过严谨的数学和物理模型实现对机器人的控制,例如其中涉及的几何力学让我非常着迷。”种八喜说。因此,他选择到佐治亚理工学院物理学院攻读博士。

走进这个名为“复杂流变学与生物力学”的实验室,会让人忍不住感叹这里像个“动物园”:鱼、乌龟、虫子、蜈蚣、蛇、蜥蜴……饲养、观察它们,也成了实验室成员的日常。

长久的观察,引发种八喜和同学们不断思考:这些动物有的4条腿、有的8条腿、有的几十条腿,还有的没有腿,它们都能行动自如。机器人是不是也可以像这些动物那样,拥有8条腿甚至几十条腿呢?

经过几年的实践和积累,研究团队开发出了拥有多条腿的“蜈蚣机器人”。“每多一条腿,就涉及与身体其他部位的配合协调问题,要重新建立其数学模型,其计算量更是呈指数级增加。”种八喜说。

而比工作量增加更关键的问题是:多了这么多的腿有什么用?在4条腿够用的情况下,为何要使其变得更复杂?

论文作者合影

导师推荐看的书,恰好在妻子书架上

种八喜思维活跃,脑子里总会不断冒出一些新的想法。而当缺乏灵感时,他常常会回归观察。

“人们走路时,需要密切关注周围信息,眼睛、耳朵、鼻子这些感官系统将得到的信息传递给大脑,大脑指挥身体,帮助我们避开障碍,平稳行走;而猫、狗似乎不需要这么多对环境的感知和反馈,4条腿的稳定性让它们走路时更大胆;对于蜈蚣,它甚至不需要感知和反馈障碍物,足够多的腿使它在崎岖不平的地方照样平稳爬行。”种八喜说。

在不断的观察和思考中,他灵机一动,蜈蚣机器人有这么多腿,是否不再需要传感器?不必精确计算前方障碍物的大小、距离?

这天,导师给种八喜推荐了一本书——《信息论概述》。回到家,他惊喜地发现,这本书就躺在妻子的书架上。作为生物医学工程学的博士,种八喜的妻子对信息论颇有研究。

那段时间,他们散步时的话题总围绕着信息论展开,有时讨论升级,还会演变为争吵,“我的思维很飘,有很多异想天开的想法,妻子比较务实,会把我的思绪拉回来。”他笑着说。

香农提出的信息论认为,要想确保消息在有噪音的线路上从A传递到达B,不是将其作为模拟信号发送,而是将其分解为离散的数字信号。为了消除噪音的影响,使传输更准确,通常会增加信息冗余。

受此启发,种八喜等人将机器人的身体看作被传输的“信息”,通过数学、物理建模,提出了一个“物质运输”理论框架:给机器人增加腿脚,即空间冗余,可以提高它在复杂环境中稳健移动的能力。这种冗余使机器人无需传感器也能移动。

“就算有一条腿踏空,其余的腿也能帮助它移动前行。像是拔河比赛时,一两个人突然绊倒并不会改变整体的移动方向。”种八喜解释说。

种八喜和导师Daniel Goldman教授

无需传感器,可轻松穿越农田、废墟……

目前,学界和业界对于机器人移动的研究大多围绕传感器展开,利用视觉、力觉、听觉、接近觉、超声波等各类传感器,使机器人能够完成复杂工作。环境越多变、工作越复杂,对传感器的精度要求越高。

“在公路、铁路上,轮式或4足机器人可以自由移动、运输货物,而一旦到了农田,或倒塌的建筑物中,这类机器人通常难以正常工作。”种八喜说,“当进入火星等未知环境时,其局限性会更明显。

为了验证蜈蚣机器人的运动性能,研究团队建造起复杂地形模型,通过不断增加腿的数量进行测试,最终从6条扩展到了16条。他们发现,当腿数达到12条时,机器人便可平稳通过地形模型。

室内测试

随后,他们把机器人带到草丛、石堆中,在真实环境中再次测试,它依然表现出色。

室外测试

面对着这个能穿越狭小空间的蜈蚣机器人,种八喜总会想起2008年汶川地震时的场景。当时的他正在重庆读初二,地震发生后,身边有许多救援的叔叔阿姨被困震中,他对听闻的震中惨状印象深刻。“当时我就在想,有什么办法能够帮助他们?”种八喜说。

这像一粒种子埋进了他的心里,15年后,这颗种子开了花。

舍弃了昂贵的传感器,蜈蚣机器人的成本大幅降低,仅需要1000美元。目前,这一机器人已被应用到导师及合伙人开设的农业公司,将会用于那些无法使用除草剂的农田的除草工作。

“我们正在对蜈蚣机器人进行优化,希望能根据实际需要确定其最佳腿数,在复杂系统中寻求能量、速度、功率、稳定性之间的平衡,以便更加经济高效。”种八喜说,“相信未来它也能够用于复杂地形的救援工作。”

相关论文信息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4985

 
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