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電影里的磁性球體機(jī)器人成真？

提起機(jī)器人，很多人都會(huì)直覺(jué)地聯(lián)想到機(jī)械狀的人形，或者是像波士頓動(dòng)力狗一般的四足仿生機(jī)器人。它們模擬人或者其他動(dòng)物的肌肉和骨骼結(jié)構(gòu)。其實(shí)“機(jī)器人”的范疇遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》就展示了另外兩種對(duì)于“機(jī)器人”的想象，一個(gè)是有柔軟皮膚，又會(huì)主動(dòng)安慰人的“大白”；一個(gè)是由無(wú)數(shù)微磁單元組成、任意變形的機(jī)器人。這種類(lèi)型的機(jī)器人叫做模塊化自重構(gòu)機(jī)器人（Modularself-reconfigurable robot， MSRR）。這種機(jī)器人屬于一種特殊的多機(jī)器人系統(tǒng)，由大量同構(gòu)的機(jī)器人模塊組成。相比于形態(tài)固定的機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人功能多樣、可擴(kuò)展性強(qiáng)、也具有更強(qiáng)的魯棒性。 “《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》里面這個(gè)例子，是我覺(jué)得是MSRR最終希望做到的，有點(diǎn)像生物的細(xì)胞，幾百億甚至幾千億個(gè)小細(xì)胞作為單元，組成了一個(gè)龐大而且復(fù)雜的生命共同體，最終這個(gè)共同體能夠根據(jù)需求自由地改變形狀及功能?！毕愀壑形拇髮W(xué)（深圳）理工學(xué)院的梁冠琪對(duì) DeepTech 說(shuō)。目前，他在該校的機(jī)器人與人工智能實(shí)驗(yàn)室讀博二，導(dǎo)師是實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行副主任林天麟教授。林天麟教授是IEEE高級(jí)會(huì)員，師從中國(guó)工程院院士徐揚(yáng)生教授。前不久，梁冠琪作為第一作者的論文獲得了IEEE智能機(jī)器人與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議（IROS）的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（Robot Mechanism and Design）最佳論文獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)的是一種叫做 FreeBOT 的球形機(jī)器人系統(tǒng)，它們之間能夠通過(guò)磁性自由地連接在一起。 IROS 是機(jī)器人領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)規(guī)模最大的兩個(gè)頂級(jí)會(huì)議之一，這是中國(guó)內(nèi)地高校近十年來(lái)第一次獲得 IROS 最佳論文獎(jiǎng)項(xiàng)。機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)最佳論文獎(jiǎng)為今年新增獎(jiǎng)項(xiàng)，梁冠琪所在的團(tuán)隊(duì)因此成為首屆獲獎(jiǎng)?wù)?。而除了這篇論文獲獎(jiǎng)，林天麟團(tuán)隊(duì)此次有三篇關(guān)于 MSRR 的論文都被 IROS 接收。另外兩篇論文的分別研究了系統(tǒng)中單個(gè)模塊的相對(duì)定位，以及作為整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)器人快速重構(gòu)算法。連接不受限制的磁性球體機(jī)器人 MSRR 機(jī)器人與常見(jiàn)的機(jī)器人在形態(tài)上有很大的差別，在設(shè)計(jì)思路上也不同。人形機(jī)器人、四足機(jī)器人、或者無(wú)人機(jī)，這些機(jī)器人形態(tài)固定，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮從某些具體功能出發(fā)。而 MSRR 機(jī)器人則是另外一種思路，不針對(duì)特定的任務(wù)而設(shè)計(jì)?？茖W(xué)家們希望它能夠隨著任務(wù)和環(huán)境的不同，迅速改變自身的構(gòu)型，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的功能。這種思路受到了群居生物的啟發(fā)。群居動(dòng)物組合在一起能夠完成遠(yuǎn)超出個(gè)體能力的復(fù)雜任務(wù)。比如螞蟻，在遇到個(gè)體難以通過(guò)的地形時(shí)，能夠彼此銜接身體，組成橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圖|其它 MSRR 連接方式與 FreeBOTs 的比較（來(lái)源：論文）因此， MSRR 機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問(wèn)題是模塊間的連接機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的MSRR系統(tǒng)的連接方式都存在某些約束，兩個(gè)模塊間需要精確地對(duì)準(zhǔn)才能連接，并且存在特定的連接面，類(lèi)似航天器的對(duì)接方式。梁冠琪介紹，在思考 FreeBOT 的設(shè)計(jì)時(shí)，林教授希望能夠盡可能地減少對(duì)連接的限制，甚至做到能迅速及任意進(jìn)行連接的效果。現(xiàn)實(shí)生活中的巴克球這種智力玩具也給了他們啟發(fā)。巴克球是一個(gè)帶磁性的小球，一大群巴克球能自由組合成各種各樣的形狀。 FreeBOT也是利用磁力與另一個(gè)FreeBOT表面上任意一點(diǎn)進(jìn)行連接，擺脫了傳統(tǒng)MSRR需要在特定連接點(diǎn)進(jìn)行連接的約束。這一性能是如何實(shí)現(xiàn)的？FreeBOT 的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：外部一個(gè)鐵磁性球殼，以及內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器上有輪子、馬達(dá)、磁鐵等部件。驅(qū)動(dòng)器像一個(gè)小車(chē)帶著磁鐵在球殼內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，從而改變FreeBOT的重心分布及磁作用力的方向，一方面賦予FreeBOT獨(dú)立移動(dòng)的能力，另一方面能讓FreeBOT通過(guò)磁力在另一個(gè)FreeBOT上自由走動(dòng)。如圖所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器靠近兩個(gè)圓球的外在接觸點(diǎn)時(shí)，傳導(dǎo)到表面的磁性就能夠讓兩個(gè)FreeBOT連接在一起。連接或者斷開(kāi)連接只需要0.5秒的時(shí)間。圖| FreeBOT 之間的分離和連接（來(lái)源：論文）這樣，內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè) FreeBOT 運(yùn)動(dòng)的控制，同時(shí)也能夠控制球外部的磁性傳導(dǎo)。憑借內(nèi)部的強(qiáng)大磁體，單個(gè)的 FreeBOT 就可以爬上有磁性的斜坡甚至墻面。論文還展示了兩個(gè) FreeBOT 合作完成一些超越個(gè)體能力的任務(wù)。磁鐵在驅(qū)動(dòng)器的底部，它就會(huì)對(duì)外殼始終保持磁力，讓靠近它的球殼表面具有磁性；同時(shí)，磁鐵與球殼的內(nèi)面又非直接接觸，而是橡膠輪與球殼內(nèi)面接觸，這樣可以通過(guò)控制橡膠輪，讓磁鐵在球殼內(nèi)部旋轉(zhuǎn)方向。要實(shí)現(xiàn)自由迅速的連接，磁鐵的選型以及其距離外部鐵殼的距離需要恰到好處，梁冠琪介紹，試驗(yàn)中間經(jīng)歷過(guò)很多次失敗。磁性會(huì)隨著距離而衰減，因此要盡可能靠近球殼內(nèi)壁，但是如果太近，也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題?！疤脑?huà)，由于磁鐵的吸力很大，就直接把小車(chē)吸在了球殼上，并且會(huì)導(dǎo)致小車(chē)形變，就沒(méi)有辦法讓小車(chē)在球殼內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)?！绷汗阽骰貞浰趯?shí)驗(yàn)中得到的經(jīng)驗(yàn)。獲獎(jiǎng)?wù)撐乃故镜氖堑谝淮陌姹?，梁冠琪介紹，他們目前正在研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的細(xì)節(jié)優(yōu)化。林天麟所指導(dǎo)的三篇關(guān)于多機(jī)器人系統(tǒng)的論文同時(shí)入選 IROS ，展現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在這一方向上的探索。林天麟教授是IEEE高級(jí)會(huì)員，師從中國(guó)工程院院士徐揚(yáng)生教授。他在機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)方面擁有豐富的成果，大部分論文均發(fā)表于機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域的頂級(jí)國(guó)際期刊及國(guó)際會(huì)議，如T-RO，JFR，T-MECH，ICRA和IROS等。除了模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，軟體機(jī)器人、多機(jī)器人系統(tǒng)、人機(jī)協(xié)作都是團(tuán)隊(duì)的研究方向。他也是深圳市人工智能與機(jī)器人研究院（AIRS）的成員。這個(gè)研究院依托于香港中文大學(xué)（深圳），是深圳市政府設(shè)立的十大基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)之一。此次入選 IROS 的另外兩篇論文，分別研究了系統(tǒng)中單個(gè)機(jī)器人的相對(duì)定位，以及作為整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)器人快速重構(gòu)算法。系統(tǒng)中單個(gè)機(jī)器人的相對(duì)定位是指，系統(tǒng)中任意一部機(jī)器人實(shí)時(shí)確定出其他機(jī)器人相對(duì)于自身的位置和方位。這是一個(gè)由多個(gè)機(jī)器人組成的系統(tǒng)正常工作的前提。整個(gè)系統(tǒng)的快速重構(gòu)算法則是幫助一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)識(shí)別環(huán)境并且改變整體構(gòu)型。比如多個(gè) FreeBOT 組成的機(jī)器人系統(tǒng)，需要夠根據(jù)路面情況的不同，連續(xù)調(diào)整隊(duì)列，持續(xù)前進(jìn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一篇論文進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，一個(gè) FreeBOT 系統(tǒng)能夠快速適應(yīng)復(fù)雜的表面，通過(guò)“變換隊(duì)形”上臺(tái)階，翻越障礙物。用MSRR進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化環(huán)境探索《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中，小宏設(shè)計(jì)的微磁機(jī)器人系統(tǒng)能夠組成一只巨大的手掌，并做出招手的姿勢(shì)。這樣一個(gè)動(dòng)作看起來(lái)簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)上卻非常困難?！斑@要求最下面的模塊，能夠提供這樣一個(gè)自由度，這里面就有物理學(xué)上的瓶頸。”梁冠琪介紹。這是長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。不過(guò)短期內(nèi)，科學(xué)家們希望 MSRR 能夠幫助人類(lèi)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)的環(huán)境探索，尤其是地震、火災(zāi)等環(huán)境中完成探索、越障、抓取等任務(wù)。如在災(zāi)后的廢墟現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)在也有一些探勘環(huán)境的機(jī)器人，比如蛇形機(jī)器人可以探索一些狹窄的縫隙，不過(guò)遇到斷橋或者高樓這樣的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)依舊會(huì)受限，而一個(gè) MSRR 機(jī)器人就能夠更靈活地適應(yīng)各種地形。假設(shè)災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)很小的隧道，而生還者在隧道的另一頭，這時(shí)候機(jī)械臂的功能無(wú)法施展開(kāi)， MSRR 就可以用小模塊的方式通過(guò)隧道，到另一端再重新構(gòu)型，并且實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的功能。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，就需要比較大規(guī)模的系統(tǒng)。梁冠琪介紹，梁冠琪介紹，目前FreeBOT只是驗(yàn)證了一種能實(shí)現(xiàn)迅速并任意連接的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。而未來(lái)，團(tuán)隊(duì)希望能夠在機(jī)器人上部署傳感器及控制器，使其成為分布式的自主系統(tǒng)。此外，當(dāng)更多的FreeBOT構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，就需要定位和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的算法指導(dǎo)其移動(dòng)。更大的系統(tǒng)也對(duì)傳感器部署、增強(qiáng)FreeBOT的機(jī)械性能、更長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航提出了更高的要求。 FreeBOT 是梁冠琪科研道路上的第一個(gè)作品，他告訴 DeepTech ，在導(dǎo)師手把手的指導(dǎo)下，他開(kāi)始慢慢領(lǐng)悟如何去設(shè)計(jì)機(jī)器人?！拔覐睦蠋熒砩蠈W(xué)到一點(diǎn)，是觀察身邊會(huì)動(dòng)的東西，然后去思考聯(lián)系?！? 他會(huì)去留意身邊各種會(huì)動(dòng)的東西，觀察他們是為什么能動(dòng)，比如商場(chǎng)里常見(jiàn)的鼓風(fēng)機(jī)充氣玩偶，會(huì)受到氣流的影響一直搖擺，也有設(shè)計(jì)成機(jī)器人的潛力?！靶路f機(jī)器人的設(shè)計(jì)，無(wú)非是通過(guò)一些新穎的結(jié)構(gòu)和方法為機(jī)器人提供自由度。而這些自由度是怎么來(lái)的，大自然和日常生活往往會(huì)告訴我們一些有趣的答案?！? 原文標(biāo)題：《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》磁性球體機(jī)器人成真？中國(guó)內(nèi)地高校近十年來(lái)首獲機(jī)器人頂會(huì)IROS最佳論文獎(jiǎng) 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電影里的磁性球體機(jī)器人成真？

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