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“能说会跳”的微型机器人问世,以蚂蚁为灵感,协作能力更强

2019-07-16 09:56:12 来源:麻省理工科技评论
世界各地的机器人研究者一直都在自然界的生物中寻找灵感和模型,打造更好的机器人。近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的机器人研究者在蚂蚁的启发下,开发了一种微型机器人:Tribots。


蚂蚁是“大力士”,能够举起超过自身重量数倍甚至数十倍的物体。但限于极小身型,蚂蚁个体的能力着实有限。但在群体的合作下,一群蚂蚁能够有序地分工,建造复杂的巢穴、组织前进路线。简单来说,就是通过交流和协作实现群体能力的最大化。

 




Tribots 机器人的能力和蚂蚁很像。单个的 Tribots 能够推动比自身更重的物体,跳上数倍于自身尺寸的高度;而当它们聚集成群时,不同的个体之间能够进行交流、合作,共同完成同一个任务,甚至由一个机器人向多个其他个体下达指令,让多个机器人完成协同任务。只不过,机器人之间的交流不需要通过触角进行。

 

这一成果已经发表在了 Nature 上。
 

在外形上,Tribots 完全看不出有蚂蚁的样子,更像是一个行走的电路板,通过多张轻薄的材料折叠组装而成,由于奇特的外形,它也被称为是“三足机器人”。虽然机器人尺寸不超过 10 厘米,重量仅为 10 克,但巧妙的组合让这个简单的三足机器人具备了 5 种不同的运动形态:垂直跳跃、水平跳跃、翻过障碍物、在平台及非平坦的平面上行进。
 

每个机器人都搭载了小型的红外和距离传感器(proximity sensor),用于感知和通信,这是机器人能独立根据环境作出应对、进行个体间通信的硬件基础。据 EPFL 介绍,该机器人还能根据不同的使用需求装载更多不同的传感器。
 

图丨Tribot 由多种传统的电子零部件折叠组装而成。

 

每个机器人都携带了小型锂电池,这些电池能够独立提供机器人行进、传感、行进所需的所有能量,形成了自驱动能力。在动力方面,团队选择使用了形状记忆合金,可以在特定温度下发生形变,并随着温度复原而恢复形状。

 

团队在机器人机构上内置了微型加热器,通过短时间的加热控制形状记忆合金的伸缩,让其充当了机器人的肌肉。通过控制加热器的工作即可分别控制每条腿的运动,以此让机器人完成特定动作。

 

这些配置让 Tribot 具备了多种运动方式,如前脚后脚相继向前, 完成向前行走的动作;同时还能通过控制三条腿之间的配合,完成空翻动作,越过障碍物;在向上跳跃的测试中,Tribot 的弹跳高度能够达到自身身高的 2.5 倍。
 

作者表示,开发这些动作都是受到了一种名为锯针蚁(Odontomachus ants)的启发,这种蚂蚁的特点在于有一个特化的颚夹,能在 0。13 毫秒将颚夹张开到 180 度,这个动作可以快速敲击地面,将自身迅速弹离。
 

从个体能力来说,小小的 Tribot 可以说是具备了蚂蚁般的“神力”。
 

但更重要的还在后面:相同的结构,不同的角色分工,这也是蚂蚁群的最大特点之一。
 

在 Tribot 身上,尽管每个机器人都有完全一致的结构、形态,而多样的运动能力实现不同的分工,从而达到协作的目的,这都是建立在机器人个体和群体间的通信能力之上的。
 

在一个例子中,研究人员将两个 Tribots 分别设定为领导者和跟随者,当前者经过一个间隙后,通过传输信号向后者告知了前方地形的变化,让后者能在没有注意到间隙的情况下,根据信号的指示,跳过了间隙。
 

在另一个测试中,研究人员设置了单个机器人无法推动的重物,让两个 Tribots 合作将其推到特定位置。更有意思的是,两者间配合是由另一个机器人进行指挥,像一个指挥手一样指示两个“工人”共同完成合作任务。
 

“每个 Tribot 都像蚂蚁一样,可以扮演不同的角色。当他们面对新的任务、未知的环境时,或是其他机器人迷路的时候,它们也可以马上转变成新角色。这超出了自然界中蚂蚁的能力。”该研究的作者,EPFL可重构机器人实验室主任 Jamie Paik 说道。
 

在未来的实际应用中,比如执行紧急搜索任务,Tribots 可以被大批量部署到现场。由于机器人数量众多且具备通信能力,他们可以在很大的范围内快速定位目标,而无需依赖 GPS。
 

“由于它们可以大量制造和部署,因此部分机器人的失效不会影响任务的成功,”Paik 补充道,“凭借其独特的集体协作能力,我们的小型机器人可以更好适应未知的环境,因而在某些任务中比大型机器人有更强的能力。”
 

同时,作者也强调,可以将这个机器人看作是一个有趣的平台,可以探索新的运动模式和为特定任务定制机器人的可能性。


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