模塊機器人或成現(xiàn)實版《阿凡達》“潘多拉烈馬”

2017-09-20 09:48:53來源：IEEE Spectrum 編輯：一不做關鍵詞：機器人模塊化機器人人工智能閱讀量：36477

導讀：由許多不同模塊組成的機器人系統(tǒng)通常有一個共同點，那就是共用一個“大腦”，通過“大腦”來解釋模塊中的傳感器數(shù)據(jù)，然后為每個模塊發(fā)送指令。未來，這種模塊化機器人可能會成為現(xiàn)實版的《阿凡達》“潘多拉烈馬”。

　　【中國智能制造網(wǎng) 智造快訊】由許多不同模塊組成的機器人系統(tǒng)通常有一個共同點，那就是共用一個“大腦”，通過“大腦”來解釋模塊中的傳感器數(shù)據(jù)，然后為每個模塊發(fā)送指令。未來，這種模塊化機器人可能會成為現(xiàn)實版的《阿凡達》“潘多拉烈馬”。

　　在研究中，我們設計了各種各樣的模塊化機器人。由許多不同模塊組成的機器人系統(tǒng)通常有一個共同點，那就是共用一個“大腦”，通過“大腦”來解釋模塊中的傳感器數(shù)據(jù)，然后為每個模塊發(fā)送指令。從本質(zhì)上將，具備神經(jīng)系統(tǒng)的個體機器人將信息傳遞給中央大腦，這和人類工作的方式是一致的。

　　這種系統(tǒng)的工作原理在理論上來說很，但理想的模塊化機器人用例致力于使這些機器人更加分散，這樣每個模塊都可以成為神經(jīng)系統(tǒng)或大腦控制的一部分，來配合其他機器人作為一個整體完成任務。這項新的研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上，該研究主要提出了一個“可合并的機器人神經(jīng)系統(tǒng)”原理，以及一個完整的模塊化機器人系統(tǒng)的框架。

　　我們展示的機器人，其身體和控制系統(tǒng)可以合并，從而形成一個全新的機器人，并保持完整的感覺運動控制。我們的控制模式可以使機器人展示其超越任何現(xiàn)有機器或任何生物有機體的屬性：這些機器人可以通過一個集中控制器組成一個更大的整體，也可以通過其獨立的控制器分散成多個個體，而且也可以通過移除或替換故障單元來進行自我修復。通過這些工作，未來我們將能夠制造出可以自主改變大小、形狀和功能的機器人。

　　在研究中使用的機器人是Swarmanoids，它們被稱為“可合并神經(jīng)系統(tǒng)(MNS)的機器人”。Swarmanoids由三種離散型機器人組成：腳部機器人可以抓住其他機器人，進行水平移動；手部機器人有機械臂和磁力勾爪，能夠垂直移動；而眼部機器人可以飛，棲息在天花板上，通過眼部的攝像頭來指揮手部和腳部機器人。

　　一個單獨的MNS機器人可以由任意數(shù)量的Swarmanoid單位組成，且MNS機器人可以根據(jù)其工作指令進行分裂或合并。每個MNS機器人都有一個模塊作為大腦，但大腦模塊并不局限于那個特定的模塊，它可以在機器人的物理結(jié)構(gòu)中進行移動、分裂或組合。

　　其中一個模塊充當大腦，其余的機器人模塊構(gòu)成了其他神經(jīng)系統(tǒng)。距離大腦較遠的模塊收集傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給它們的上一級模塊，這些模塊通過整合和精煉將數(shù)據(jù)傳遞到鏈條中。大腦模塊在整體內(nèi)做出所有的高層決策，這些決策又被傳回到單個的執(zhí)行器模塊。

　　這種結(jié)構(gòu)使MNS機器人具有非凡的靈活性和彈性，也是大多數(shù)模塊化機器人所不具備的，因此不用擔心單個模塊的損耗性，此外，也可以對模塊進行改造，添加更多的配置。

　　為了了解更多細節(jié)，IEEE Spectrum采訪了論文的作者Nithin Mathews。以下是億歐編譯整理。

　　IEEE Spectrum：什么是機器人神經(jīng)系統(tǒng)？神經(jīng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)機器人上是如何工作的？

　　Nithin Mathews：感覺運動系統(tǒng)將機器人的中央處理單元和它的傳感器及制動器連接在一起，而這個感覺運動系統(tǒng)就相當于機器人的神經(jīng)系統(tǒng)，在概念層面與生物的神經(jīng)系統(tǒng)相似，都是有一個大腦來控制身體。而在當今的大多數(shù)機器人中，其神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設計之初是設定好的，但在機器人的使用壽命期間始終保持靜止。

　　IEEE Spectrum：具有可變神經(jīng)系統(tǒng)的機器人有什么不同之處嗎？又有什么優(yōu)勢呢？

　　Nithin Mathews：想象一下，這些機器人基于彼此的同意而進行物理接觸時，何嘗不是自己身體的延伸呢？你能看到它們所看到的，聽到它們所聽到的，并移動它們的四肢，整個過程就像自己在移動一樣。“合并主體”的壯舉不僅對人類來說是不可能的，而且對所有自然生物來說都是不可能的。但是這一概念在科幻小說中卻并不新鮮。

　　的例子可能當屬2009年詹姆斯·卡梅隆的電影《阿凡達》。在這部電影里，潘多拉烈馬用其突出的神經(jīng)觸角來與騎乘者進行交流。騎乘者可以通過神經(jīng)觸角來傳遞運動指令，同時潘多拉烈馬的感覺信息，比如疼痛感，也會立即傳遞給騎手。簡而言之，這就是我們在機器人世界中試圖創(chuàng)造的東西。

　　這種機器人有很多優(yōu)點，即使當機器人的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(如處理新的任務)，對MNS機器人的控制也不需要任何改變。一個MNS機器人還可以在其初部署后的很長一段時間內(nèi)，自動地向其對等機器人借用物理屬性——類似于電影中納美人借用了direhorse的運動能力一樣。另一個非常有用的特性是，MNS機器人可以通過自我修復過程來檢測和響應硬件故障。從理論上講，只要有備用單元和足夠的能量，MNS機器人就不容易出現(xiàn)有故障的軟件或硬件組件。

　　IEEE Spectrum：你能描述一下當一個MNS機器人分離時，或者兩個MNS機器人合并時，會發(fā)生哪些變化嗎？

　　Nithin Mathews：當分離發(fā)生時，意味著一個現(xiàn)有的整體被分為多個獨立的部分，這些分離的MNS機器人能瞬間創(chuàng)造新的大腦單元，成為具有神經(jīng)系統(tǒng)且功能齊全的新機器人，從而來進行新的運作。

　　當兩個MNS機器人合并時，兩個大腦單元和決策主體需要集成到一個機器里。假設你與四個朋友攜手走向一個移動目標，這將會是多么混亂的狀況，因為四個主體做決策的時候需要事先協(xié)調(diào)。但MNS機器人能夠在技術層面解決這個問題，這些MNS機器人能夠地放棄對大腦的控制或在必要時收回控制權。

　　IEEE Spectrum：如何將可控制的神經(jīng)系統(tǒng)應用于未來一代的實用機器人？它們的用途是什么呢？

　　Nithin Mathews：對于機器人來說，可控制的神經(jīng)系統(tǒng)未來仍有很長的路要走。首先，機器人需要物理上相互配合的應用，它們可以應用于在人體內(nèi)部運作的納米機器人，或行星上運行的機器人。例如，一個先進的人形機器人在火星上運行，它的身體和感覺運行能夠與它乘坐的火星車相協(xié)調(diào)。

　　IEEE Spectrum：接下來的工作方向是什么呢？

　　Nithin Mathews：我們的重點肯定是從二維平面移動到三維空間中。為了達到這個目的，我們可能需要考慮在不同的機器人之間建立物理連接的其他方式。在當前基礎上，我們還將研究其他形式的運動，比如加入雙足行走、爬行、攀爬或滾動等功能。

　　(原標題：模塊化機器人：未來或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實版的《阿凡達》“潘多拉烈馬” 作者Evan Ackerman；由億歐編譯)

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