無需電子設(shè)備就可任意行走的四足機(jī)器人

無需任何電子設(shè)備，這種四足機(jī)器人可以向任何方向行走，甚至可以避開障礙物。

軟體機(jī)器人具有內(nèi)在的安全性，高度的彈性，并且價(jià)格非常便宜，這使它們有廣泛的應(yīng)用前景。但與機(jī)器人技術(shù)的其他領(lǐng)域相比，軟體機(jī)器人的發(fā)展有點(diǎn)緩慢，至少部分原因是軟機(jī)器人無法直接受益于我們?cè)谶^去幾十年中看到的計(jì)算能力、傳感器和執(zhí)行器可用性的大幅提高。取而代之的是，機(jī)器人專家必須發(fā)揮創(chuàng)造力，找到利用軟材料和兼容電源實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)器人部件功能的方法。

在最新一期的《科學(xué)機(jī)器人（Science Robotics）》雜志上，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員展示了一種軟體步行機(jī)器人，它有四條腿，由管子和閥門組成的氣動(dòng)回路系統(tǒng)控制，以烏龜般的步態(tài)移動(dòng)。這種空氣驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)系統(tǒng)可以從一個(gè)單一的壓縮空氣源依次驅(qū)動(dòng)多個(gè)自由度，大大降低了復(fù)雜性，并為機(jī)器人本身帶來了一種非?；镜臎Q策形式。

一般來說，當(dāng)人們談?wù)撥涹w機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人只是大部分是軟的。一般來說，當(dāng)人們談?wù)撥洐C(jī)器人時(shí)，機(jī)器人大多是軟的。有一些部件很難使其變軟，包括壓力源和必要的電子設(shè)備，以便以可用于推進(jìn)的方式在不同的軟致動(dòng)器之間引導(dǎo)壓力。這個(gè)機(jī)器人真正酷的地方在于，研究人員利用一個(gè)完全由軟材料制成的振蕩三閥電路，成功地將一個(gè)壓力源（一根繩子或一個(gè)機(jī)載二氧化碳濾芯）引導(dǎo)到四個(gè)不同的腿上，每個(gè)腿上有三個(gè)不同的氣室。

這一點(diǎn)的靈感可以在生物學(xué)中找到，包括四足動(dòng)物在內(nèi)的自然生物，利用被稱為中樞模式發(fā)生器（central pattern generators，CPGs）的神經(jīng)系統(tǒng)組件來促進(jìn)用于行走、飛行和游泳的四肢的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。這在某些有機(jī)體中顯然比在其他有機(jī)體中更為復(fù)雜，并且通常由感覺反饋介導(dǎo)，但是CPG的結(jié)構(gòu)基本上只是一個(gè)重復(fù)回路，它按順序驅(qū)動(dòng)肌肉產(chǎn)生穩(wěn)定、連續(xù)的步態(tài)。在這種情況下，我們需要以成對(duì)的方式驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌肉，從而形成一種對(duì)角耦合步態(tài)，對(duì)角相對(duì)的肢體同時(shí)向前和向后旋轉(zhuǎn)。

Diagram: Science Robotics

(J) Pneumatic logic circuit for rhythmic leg motion. A constant positive pressure source (P+) applied to three inverter components causes a high-pressure state to propagate around the circuit, with a delay at each inverter. While the input to one inverter is high, the attached actuator (i.e., A1, A2, or A3) is inflated. This sequence of high-pressure states causes each pair of legs of the robot to rotate in a direction determined by the pneumatic connections. (K) By reversing the sequence of activation of the pneumatic oscillator circuit, the attached actuators inflate in a new sequence (A1, A3, and A2), causing (L) the legs of the robot to rotate in reverse. (M) Schematic bottom view of the robot with the directions of leg motions indicated for forward walking.

電路本身由三個(gè)雙穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)閥組成,回路本身由三個(gè)通過管道連接的雙穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)閥組成，通過為流經(jīng)其中的氣體提供阻力，可通過改變管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑來調(diào)節(jié)阻力，從而起到延遲的作用。在回路中，加壓氣體的運(yùn)動(dòng)既是一種能量來源，也是一種信號(hào)，因?yàn)榛芈分械膲毫υ谀睦?，腿就在哪里運(yùn)動(dòng)。最簡(jiǎn)單的電路僅使用三個(gè)閥，并且可以保持機(jī)器人朝一個(gè)方向行走，但是更多的閥可以添加更復(fù)雜的腿部控制選項(xiàng)。例如，研究人員能夠使用七個(gè)閥門來調(diào)整步態(tài)的相位偏移，甚至只需要一個(gè)額外的閥門（盡管設(shè)計(jì)稍微復(fù)雜一點(diǎn)）就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器人根據(jù)軟傳感器的輸入向后行走。對(duì)于另一個(gè)復(fù)雜的閥門，手動(dòng)（栓系）控制器可用于全方位運(yùn)動(dòng)。

Diagram: Science Robotics

Each of the valves acts as an inverter by switching the normally closed half (top) to open and the normally open half (bottom) to closed.

這項(xiàng)工作與JPL為探索金星而開發(fā)的火星車有一些相似之處，當(dāng)然，火星車不是一個(gè)軟體機(jī)器人，但它在類似的限制條件下工作，因?yàn)樗荒芤蕾噦鹘y(tǒng)的電子系統(tǒng)進(jìn)行自主導(dǎo)航或控制。事實(shí)證明，有很多聰明的方法可以利用機(jī)械（或者在本例中是氣動(dòng)）智能來制造具有相對(duì)復(fù)雜自主行為的機(jī)器人。

關(guān)于為什么我們應(yīng)該對(duì)軟體機(jī)器人如此興奮，以及軟體機(jī)器人需要有多軟，我們采訪了加州大學(xué)圣地亞哥分校生物靈感機(jī)器人和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Michael Tolley和論文第一作者Dylan Drotman。

Q

IEEE Spectrum：軟體機(jī)器人能夠?yàn)槲覀冏龅侥男﹦傂詸C(jī)器人的設(shè)計(jì)所不能完成的呢？

Michael Tolley：在最高層次上，機(jī)器人學(xué)的一個(gè)基本假設(shè)是，你的剛體連接在關(guān)節(jié)上，你的所有運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在這些關(guān)節(jié)上。這是一個(gè)非常好的方法，坦率地說，它簡(jiǎn)化了控制。但是當(dāng)你環(huán)顧我們周圍的自然界時(shí)，即使動(dòng)物確實(shí)有骨頭和關(guān)節(jié)，我們與世界互動(dòng)的方式也比這個(gè)簡(jiǎn)單的故事要復(fù)雜得多。我感興趣的是我們可以把機(jī)器人的材料特性應(yīng)用在哪里。如果你看看那些必須在非常未知的環(huán)境中工作的機(jī)器人，我認(rèn)為你可以把一些如何處理這些環(huán)境的智能植入機(jī)器人的身體中。這也是這項(xiàng)工作真正屬于的范疇。

Dylan Drotman：穿過密閉空間就是一個(gè)很好的例子。有了剛性腿機(jī)器人，你就必須完全改變腿部移動(dòng)的方式，才能在受限空間中行走，而如果你有柔性腿，就像我們論文中的機(jī)器人一樣，你可以通過使用相對(duì)簡(jiǎn)單的控制策略，就可擠過一個(gè)用剛性系統(tǒng)無法通過的區(qū)域。

Q

一個(gè)軟體機(jī)器人能有多聰明？

Drotman：現(xiàn)在我們?cè)谇懊嬗幸粋€(gè)傳感器，它通過流體傳輸連接到一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)閥上，這個(gè)雙穩(wěn)態(tài)閥使機(jī)器人反轉(zhuǎn)。我們可以在機(jī)器人周圍添加其他傳感器，讓它在遇到障礙物時(shí)改變方向，這意味著，可以由此有效地制造出無電子設(shè)備版本的Roomba。

Tolley：退一步，我們可以提出一個(gè)論點(diǎn)，我們使用基本的記憶元素來產(chǎn)生非?；镜男盘?hào)。原則上沒有什么能阻止人們制造氣動(dòng)計(jì)算機(jī)——這是非常復(fù)雜的。我認(rèn)為你可以在此基礎(chǔ)上做更明智的決策，但使用這種特定的設(shè)計(jì)和我們使用的組件，很可能是對(duì)環(huán)境更直接的反應(yīng)。

Q

機(jī)器人的尺寸可以縮小到什么程度？

Drotman：目前我們正在手工制造這些部件，所以我們的想法是制造更像印刷電路板的產(chǎn)品，并研究通道尺寸和閥門設(shè)計(jì)如何影響驅(qū)動(dòng)特性。我們還將推出新的電路，以及電路本身的不同設(shè)計(jì)。

Tolley：到厘米或毫米尺度，我認(rèn)為不會(huì)有基本的流體流動(dòng)問題，我認(rèn)為將更多地受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束的限制。必須能夠在攜帶著你的壓力源的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，可能還有一些其他的部件仍然是剛性設(shè)計(jì)的。當(dāng)你開始談?wù)撜嬲男〕叨葧r(shí)，我并不清楚你是否確定真的需要一個(gè)本質(zhì)上柔軟的機(jī)器人。比如昆蟲，雖然它們的幾何結(jié)構(gòu)可以讓它們表現(xiàn)得像是柔軟的，但它們并不是本質(zhì)上整體都是柔軟的。

Q

幾年前，有一些有趣的想法是利用“爆炸”來驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人。這是同一件事嗎？

Tolley：使用軟體機(jī)器人的一個(gè)機(jī)會(huì)是，在材料合規(guī)性方面，你有潛力儲(chǔ)存能量。燃燒是一種方法，能量能夠一次性來自于化學(xué)物質(zhì)，但也可以利用相對(duì)較弱的肌肉，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)將能量?jī)?chǔ)存在柔軟的身體中，然后釋放出來。

Q

期望軟機(jī)器人具有完全的柔軟性是現(xiàn)實(shí)的嗎？還是說，因?yàn)樗鼈儽仨氁阅撤N方式儲(chǔ)存、產(chǎn)生和移動(dòng)加壓氣體，所以它們可能總歸會(huì)是一些堅(jiān)硬的部件？

Tolley：如果你觀察自然界就會(huì)發(fā)現(xiàn)，比如像心臟一樣的軟泵，盡管它是軟的，但它還是相對(duì)堅(jiān)硬的。比如，如果你抓住一顆心，它就不會(huì)完全變軟 – 雖然我沒做過，但我可以想象。如果你有一個(gè)正在加壓的容器，它必須足夠堅(jiān)硬，但又不能像氣球一樣爆炸。當(dāng)然，氣動(dòng)或液壓不是唯一的方法，另外有一些非常好的想法比如智能肌肉和智能材料，液壓靜電（HASEL）驅(qū)動(dòng)器。它們看起來很有前途，但所有這些執(zhí)行器都面臨挑戰(zhàn)。我們選擇在短期內(nèi)繼續(xù)使用加壓氣動(dòng)系統(tǒng)；從長(zhǎng)期來看，我想你會(huì)看到更多的智能材料致動(dòng)器變得更加實(shí)用。

就我個(gè)人而言，軟體機(jī)器人中仍有一些剛性部件我覺得沒有任何問題。陸地上的大多數(shù)動(dòng)物都有一些堅(jiān)硬的組件，但它們?nèi)匀豢梢岳萌彳浀膬?yōu)勢(shì)，所以最終，這很可能會(huì)變成一種組合。

原文標(biāo)題：軟體機(jī)器人使用氣動(dòng)電路可以像海龜一樣行走

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