新研發(fā)的機(jī)器魚，首次展示了具有隱形協(xié)調(diào)特征的復(fù)雜三維集體行動(dòng)

在海洋中，我們常常能夠看到這樣一種景象：成千上萬的魚群聚集在一起，進(jìn)行十分和諧卻又似乎毫不費(fèi)力的游動(dòng)。這種讓人印象深刻的集體行為，通常發(fā)生在魚群進(jìn)行簡單潛水、集體遷徙、躲避捕食者、閃電擴(kuò)張等具體情境中。

研究人員在對此現(xiàn)象進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作后發(fā)現(xiàn)，這些集體行為主要依靠一種隱形協(xié)調(diào)機(jī)制。在這種隱形協(xié)調(diào)中，個(gè)體魚類能夠?qū)Ω浇摹班従印边M(jìn)行視覺觀察，甚至利用身體側(cè)線感知鄰居，并且在不需要明確交流的情況下就能完成水下通信、覓食遷徙等決策。

相比之下，現(xiàn)有的大多數(shù)水下機(jī)器人則更多地依賴水上的、集中的、明確的溝通，能夠協(xié)調(diào)的復(fù)雜性有限。那么魚群中體現(xiàn)出的這種分散的、自組織的、高度自治的協(xié)調(diào)方式，長期以來吸引著機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中科學(xué)家們的興趣。

近日，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）和威斯（Wyss）生物啟發(fā)工程研究所的科學(xué)家們就從魚群當(dāng)中獲得靈感，并研發(fā)出了一批魚類機(jī)器人。這些機(jī)器人不僅外表看起來像魚，還可以像魚群一樣在海洋中完成集合運(yùn)動(dòng)，且不受任何外部控制。與此同時(shí)，研究人員還利用這些機(jī)器人，首次展示了具有隱形協(xié)調(diào)特征的復(fù)雜三維集體行動(dòng)的運(yùn)作過程。

這項(xiàng)研究的論文是由 Florian Berlinger 博士和前威斯技術(shù)開發(fā)研究員 Melvin Gauci 博士共同撰寫的。海軍研究辦公室、威斯生物啟發(fā)工程研究所和亞馬遜 AWS 研究獎(jiǎng)項(xiàng)在一定程度上為其提供了支持。該論文已于 1 月 13 日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）上。

這些機(jī)器魚整體被命名為 Blueswarm，是在 SEAS 的計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院教授和威斯學(xué)院的助理研究員 Fred Wavli 的實(shí)驗(yàn)室 Radhika Nagpal 中誕生的。Nagpal 實(shí)驗(yàn)室是研究自組織系統(tǒng)的先驅(qū)，長期以來從事自組織行為的研究，曾經(jīng)研發(fā)出 1000 個(gè)名叫 kilobot 的機(jī)器人群，并受白蟻啟發(fā)研制出機(jī)器人施工隊(duì)。

但是必須要說明的是，先前研發(fā)出的大多數(shù)機(jī)器人群都只能在二維空間中進(jìn)行操作，如水和空氣等的三維空間對傳感和移動(dòng)等方面有著更高更難的要求與挑戰(zhàn)。

圖 | 機(jī)器魚

正如這篇論文的第一作者弗洛里安·柏林格（Florian Berlinger）博士說的那樣：“通常情況下，機(jī)器人被部署在那些人類無法接近或危險(xiǎn)的區(qū)域，甚至可能是人類完全無法干預(yù)的區(qū)域。在這種條件下，擁有一個(gè)能夠自給自足并且具備高自治性的機(jī)器人確實(shí)對人類很有幫助。通過使用隱形協(xié)調(diào)和 3D 視覺感知，我們能夠創(chuàng)建一個(gè)在水下具有高度自治性和靈活性，且即使在 GPS 和 WiFi 等信號無法發(fā)揮作用的情況下仍不受影響的系統(tǒng)?！?/p>

在機(jī)器魚項(xiàng)目的研究過程中，為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員做了一系列相關(guān)工作。首先，研究人員將單個(gè)機(jī)器魚命名為 Bluebot，給它們都裝上藍(lán)色的 LED 燈，并基于此開發(fā)了一個(gè)和視覺相關(guān)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)。然后，每一個(gè)機(jī)器魚都事先配備了兩個(gè)攝像頭和三個(gè) LED 燈。

在水下作業(yè)中，魚眼處的鏡頭相機(jī)主要負(fù)責(zé)偵查相鄰 Bluebot 的 LED 燈，并使用自定義算法確定它們之間的距離、方向和航向。通過對 LED 燈光的檢測，研究人員能夠充分實(shí)現(xiàn)令 Blueswarm 表現(xiàn)出如聚集、分散、形成環(huán)狀等復(fù)雜的自組織行為的目標(biāo)任務(wù)。

圖 | 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)圖

弗洛里安·柏林格博士說：“每一個(gè) Bluebot 都可以對鄰居的位置做出隱形反應(yīng)。所以，如果我們想要這些機(jī)器人聚集在一起，那么每個(gè) Bluebot 就會在計(jì)算出它每一個(gè)鄰居的位置后朝中心移動(dòng)；如果我們想要這些機(jī)器人分散開來，這些 Bluebots 就會做相反的工作；如果我們想要它們作為一個(gè)整體，成環(huán)狀地游泳，它們就會先被按照順時(shí)針的方向編程，然后跟著前方的燈光行進(jìn)。

不僅如此，研究人員還用燈箱中的紅燈模擬了一個(gè)簡單的搜索任務(wù)。研究人員先使用分散算法，讓 Bluebots 在水箱中四處散布，直到能夠靠近并成功檢測到光源為止。一旦 Bluebots 檢測到光線，它的LED燈就會開始閃爍，從而觸發(fā)算法。這樣一來，信號機(jī)器人周圍就會聚集起來 Bluebots。

Nagpal 實(shí)驗(yàn)室表示：“Blueswarm 項(xiàng)目的研究成果可以作為研究水下自組織集體行為的重要里程碑。在這項(xiàng)研究中得到的成果將會在未來幫助我們開發(fā)微型的水下群，機(jī)器魚們可以在例如珊瑚礁這樣視覺豐富但脆弱的環(huán)境中進(jìn)行搜索和監(jiān)測。同時(shí)，該研究還通過綜合再現(xiàn)集體行為，為更好地了解魚群鋪平了道路?！?/p>

未來，這些機(jī)器魚將能集體行動(dòng)，完成搜索失事飛機(jī)殘骸、遇難船只和落水人員等單項(xiàng)任務(wù)，甚至在環(huán)境監(jiān)測、水域和珊瑚礁搜索等方面發(fā)揮不可忽視的重要作用。
編輯：lyn