電影里的磁性球體機器人成真？

提起機器人，很多人都會直覺地聯(lián)想到機械狀的人形，或者是像波士頓動力狗一般的四足仿生機器人。它們模擬人或者其他動物的肌肉和骨骼結(jié)構(gòu)。其實“機器人”的范疇遠遠不止于此，電影《超能陸戰(zhàn)隊》就展示了另外兩種對于“機器人”的想象，一個是有柔軟皮膚，又會主動安慰人的“大白”；一個是由無數(shù)微磁單元組成、任意變形的機器人。

這種類型的機器人叫做模塊化自重構(gòu)機器人（Modularself-reconfigurable robot， MSRR）。這種機器人屬于一種特殊的多機器人系統(tǒng)，由大量同構(gòu)的機器人模塊組成。相比于形態(tài)固定的機器人，這類機器人功能多樣、可擴展性強、也具有更強的魯棒性。 “《超能陸戰(zhàn)隊》里面這個例子，是我覺得是MSRR最終希望做到的，有點像生物的細胞，幾百億甚至幾千億個小細胞作為單元，組成了一個龐大而且復雜的生命共同體，最終這個共同體能夠根據(jù)需求自由地改變形狀及功能?！毕愀壑形拇髮W（深圳）理工學院的梁冠琪對 DeepTech 說。目前，他在該校的機器人與人工智能實驗室讀博二，導師是實驗室執(zhí)行副主任林天麟教授。林天麟教授是IEEE高級會員，師從中國工程院院士徐揚生教授。 前不久，梁冠琪作為第一作者的論文獲得了IEEE智能機器人與系統(tǒng)國際會議（IROS）的機器人機構(gòu)設計（Robot Mechanism and Design）最佳論文獎。獲獎的是一種叫做 FreeBOT 的球形機器人系統(tǒng)，它們之間能夠通過磁性自由地連接在一起。

IROS 是機器人領域在全球范圍內(nèi)規(guī)模最大的兩個頂級會議之一，這是中國內(nèi)地高校近十年來第一次獲得 IROS 最佳論文獎項。

機器人機構(gòu)設計最佳論文獎為今年新增獎項，梁冠琪所在的團隊因此成為首屆獲獎者。而除了這篇論文獲獎，林天麟團隊此次有三篇關于 MSRR 的論文都被 IROS 接收。另外兩篇論文的分別研究了系統(tǒng)中單個模塊的相對定位，以及作為整個系統(tǒng)的機器人快速重構(gòu)算法。 連接不受限制的磁性球體機器人

MSRR 機器人與常見的機器人在形態(tài)上有很大的差別，在設計思路上也不同。人形機器人、四足機器人、或者無人機，這些機器人形態(tài)固定，在設計時會考慮從某些具體功能出發(fā)。

而 MSRR 機器人則是另外一種思路，不針對特定的任務而設計?？茖W家們希望它能夠隨著任務和環(huán)境的不同，迅速改變自身的構(gòu)型，從而實現(xiàn)更廣泛的功能。這種思路受到了群居生物的啟發(fā)。群居動物組合在一起能夠完成遠超出個體能力的復雜任務。比如螞蟻，在遇到個體難以通過的地形時，能夠彼此銜接身體，組成橋梁等復雜結(jié)構(gòu)。

圖|其它 MSRR 連接方式與 FreeBOTs 的比較（來源：論文）

因此， MSRR 機器人設計的一個核心問題是模塊間的連接機構(gòu)。現(xiàn)有的MSRR系統(tǒng)的連接方式都存在某些約束，兩個模塊間需要精確地對準才能連接，并且存在特定的連接面，類似航天器的對接方式。

梁冠琪介紹，在思考 FreeBOT 的設計時，林教授希望能夠盡可能地減少對連接的限制，甚至做到能迅速及任意進行連接的效果。現(xiàn)實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FreeBOT表面上任意一點進行連接，擺脫了傳統(tǒng)MSRR需要在特定連接點進行連接的約束。 這一性能是如何實現(xiàn)的？FreeBOT 的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：外部一個鐵磁性球殼，以及內(nèi)部的驅(qū)動器。內(nèi)部驅(qū)動器上有輪子、馬達、磁鐵等部件。

驅(qū)動器像一個小車帶著磁鐵在球殼內(nèi)部運動，從而改變FreeBOT的重心分布及磁作用力的方向，一方面賦予FreeBOT獨立移動的能力，另一方面能讓FreeBOT通過磁力在另一個FreeBOT上自由走動。 如圖所示，當驅(qū)動器靠近兩個圓球的外在接觸點時，傳導到表面的磁性就能夠讓兩個FreeBOT連接在一起。連接或者斷開連接只需要0.5秒的時間。

圖| FreeBOT 之間的分離和連接（來源：論文）

這樣，內(nèi)部的驅(qū)動器，既實現(xiàn)了對單個 FreeBOT 運動的控制，同時也能夠控制球外部的磁性傳導。 憑借內(nèi)部的強大磁體，單個的 FreeBOT 就可以爬上有磁性的斜坡甚至墻面。論文還展示了兩個 FreeBOT 合作完成一些超越個體能力的任務。

磁鐵在驅(qū)動器的底部，它就會對外殼始終保持磁力，讓靠近它的球殼表面具有磁性；同時，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，這樣可以通過控制橡膠輪，讓磁鐵在球殼內(nèi)部旋轉(zhuǎn)方向。

要實現(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，試驗中間經(jīng)歷過很多次失敗。

磁性會隨著距離而衰減，因此要盡可能靠近球殼內(nèi)壁，但是如果太近，也會出現(xiàn)問題。“太近的話，由于磁鐵的吸力很大，就直接把小車吸在了球殼上，并且會導致小車形變，就沒有辦法讓小車在球殼內(nèi)自由運動?！绷汗阽骰貞浰趯嶒炛械玫降慕?jīng)驗。

獲獎論文所展示的是第一代的版本，梁冠琪介紹，他們目前正在研究結(jié)構(gòu)設計上的細節(jié)優(yōu)化。

林天麟所指導的三篇關于多機器人系統(tǒng)的論文同時入選 IROS ，展現(xiàn)了團隊在這一方向上的探索。 林天麟教授是IEEE高級會員，師從中國工程院院士徐揚生教授。他在機器人和自動化系統(tǒng)的研發(fā)方面擁有豐富的成果，大部分論文均發(fā)表于機器人和自動化領域的頂級國際期刊及國際會議，如T-RO，JFR，T-MECH，ICRA和IROS等。除了模塊化機器人系統(tǒng)，軟體機器人、多機器人系統(tǒng)、人機協(xié)作都是團隊的研究方向。 他也是深圳市人工智能與機器人研究院（AIRS）的成員。這個研究院依托于香港中文大學（深圳），是深圳市政府設立的十大基礎研究機構(gòu)之一。

此次入選 IROS 的另外兩篇論文，分別研究了系統(tǒng)中單個機器人的相對定位，以及作為整個系統(tǒng)的機器人快速重構(gòu)算法。

系統(tǒng)中單個機器人的相對定位是指，系統(tǒng)中任意一部機器人實時確定出其他機器人相對于自身的位置和方位。這是一個由多個機器人組成的系統(tǒng)正常工作的前提。

整個系統(tǒng)的快速重構(gòu)算法則是幫助一個機器人系統(tǒng)識別環(huán)境并且改變整體構(gòu)型。比如多個 FreeBOT 組成的機器人系統(tǒng)，需要夠根據(jù)路面情況的不同，連續(xù)調(diào)整隊列，持續(xù)前進。

針對這個問題，一篇論文進行了算法設計。在仿真實驗中，一個 FreeBOT 系統(tǒng)能夠快速適應復雜的表面，通過“變換隊形”上臺階，翻越障礙物。

用MSRR進行非結(jié)構(gòu)化環(huán)境探索

《超能陸戰(zhàn)隊》中，小宏設計的微磁機器人系統(tǒng)能夠組成一只巨大的手掌，并做出招手的姿勢。這樣一個動作看起來簡單，在設計上卻非常困難?！斑@要求最下面的模塊，能夠提供這樣一個自由度，這里面就有物理學上的瓶頸。”梁冠琪介紹。

這是長遠的目標。不過短期內(nèi)，科學家們希望 MSRR 能夠幫助人類進行非結(jié)構(gòu)的環(huán)境探索，尤其是地震、火災等環(huán)境中完成探索、越障、抓取等任務。如在災后的廢墟現(xiàn)場?，F(xiàn)在也有一些探勘環(huán)境的機器人，比如蛇形機器人可以探索一些狹窄的縫隙，不過遇到斷橋或者高樓這樣的結(jié)構(gòu)，運動依舊會受限，而一個 MSRR 機器人就能夠更靈活地適應各種地形。

假設災后現(xiàn)場有一個很小的隧道，而生還者在隧道的另一頭，這時候機械臂的功能無法施展開， MSRR 就可以用小模塊的方式通過隧道，到另一端再重新構(gòu)型，并且實現(xiàn)機械臂的功能。

要實現(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只是驗證了一種能實現(xiàn)迅速并任意連接的機構(gòu)設計。 而未來，團隊希望能夠在機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，當更多的FreeBOT構(gòu)成一個系統(tǒng)的時候，就需要定位和運動規(guī)劃的算法指導其移動。更大的系統(tǒng)也對傳感器部署、增強FreeBOT的機械性能、更長時間的續(xù)航提出了更高的要求。 FreeBOT 是梁冠琪科研道路上的第一個作品，他告訴 DeepTech ，在導師手把手的指導下，他開始慢慢領悟如何去設計機器人?！拔覐睦蠋熒砩蠈W到一點，是觀察身邊會動的東西，然后去思考聯(lián)系。”

他會去留意身邊各種會動的東西，觀察他們是為什么能動，比如商場里常見的鼓風機充氣玩偶，會受到氣流的影響一直搖擺，也有設計成機器人的潛力?！靶路f機器人的設計，無非是通過一些新穎的結(jié)構(gòu)和方法為機器人提供自由度。而這些自由度是怎么來的，大自然和日常生活往往會告訴我們一些有趣的答案?！?/p>

原文標題：《超能陸戰(zhàn)隊》磁性球體機器人成真？中國內(nèi)地高校近十年來首獲機器人頂會IROS最佳論文獎

文章出處：【微信公眾號：DeepTech深科技】歡迎添加關注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯：haq