种八喜很难说清灵感是什么时候爆发的,也许是在观察蜈蚣时,也许是在和妻子散步时,又或者是在洗澡时。
传感器对机器人来说至关重要,它赋予了机器人视、力、触、嗅、味等感知能力。美国佐治亚理工学院物理学院博士后种八喜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?”
在这项研究中,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。这种空间冗余使机器人无须传感器也能移动。
机器人通常有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,这一领域越发火热,很快聚集了大批追随者。
长久的观察,引发种八喜和同学不断思考: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它们那样,拥有8条腿甚至几十条腿呢?
经过几年的实践和积累,研究团队开发出拥有多条腿的“蜈蚣机器人”。“每多一条腿,都涉及与身体其他部位的配合协调问题,都要重新建立数学模型,计算量更是呈指数级增长。”种八喜说。
而比工作量增加更关键的问题是:多了这么多条腿有什么用?在4条腿够用的情况下,为何要使其变得更复杂?
种八喜思维活跃,脑子里总会不断冒出新想法。而当缺乏灵感时,他常常会回归观察。
在不断的观察和思考中,他灵机一动——蜈蚣机器人有这么多条腿,是否不再需要传感器?不必精确计算前方障碍物的大小和距离?
这天,导师给种八喜推荐了一本《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。种八喜的妻子是生物医学工程学博士,对信息论颇有研究。
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。这种空间冗余使机器人无须传感器也能移动。
“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。
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就越高。
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条增加到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。
随后,他们把机器人带到草丛和石堆中,在真实环境中再次测试,它依然表现出色。
面对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,地震发生后有许多人被困,当时的惨状让他印象深刻。“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,“相信未来它能够用于复杂地形的救援工作。”
