淺談帶有集成軟傳感的軟體機(jī)器魚的建模和控制

隨著技術(shù)的發(fā)展，軟體機(jī)器人已經(jīng)不是什么新鮮物種。那么，如果一只機(jī)器魚在水中游泳時(shí)能根據(jù)水流速度自動調(diào)控，會是一種什么樣的情景呢？

最近，由德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所（MPI-IS）、韓國首爾國立大學(xué)和美國哈佛大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一款水下軟體機(jī)器人。該機(jī)器人不僅能像魚一樣在水下游泳，還能根據(jù)水的速度自動調(diào)節(jié)在水中的擺動幅度。

3 月 17 日，該團(tuán)隊(duì)的論文以《帶有集成軟傳感的軟體機(jī)器魚的建模和控制》（“Modeling and Control of a Soft Robotic Fish with Integrated Soft Sensing”）為題發(fā)表在 Advanced Intelligent Systems 期刊。

圖丨相關(guān)論文截圖

為了設(shè)計(jì)控制器，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動、集總參數(shù)的方法。該方法允許使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和遺傳算法進(jìn)行精確但輕量的仿真。該模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)器魚驅(qū)動頻率和壓力幅度下的行為，包括對軟執(zhí)行器的拮抗共收縮的影響。

該機(jī)器魚的兩側(cè)由硅膠腔室制成的人造肌肉組成，研究人員在其兩側(cè)分別輸送空氣，當(dāng)一側(cè)膨脹時(shí)會向外彎曲，另一側(cè)的氣穴則收縮向內(nèi)彎曲。這會促進(jìn)它的尾巴向右、向左擺動，這與真魚在水中游泳時(shí)的運(yùn)動模式相同。

圖丨機(jī)器魚示在水中游動及相關(guān)組件

為了提高傳感器的靈敏度，研究人員將軟應(yīng)變傳感器預(yù)拉伸到機(jī)器人的長度，并使用膠帶和電纜扎帶將傳感器的兩端牢固地連接到機(jī)器人。研究人員嵌入了最先進(jìn)的軟體應(yīng)變傳感器來測量機(jī)器魚的彎曲度，該傳感器的硅膠微通道充滿液態(tài)金屬，能像電話線一樣富有彈性、可拉伸。

當(dāng)機(jī)器魚身體的一側(cè)呈彎曲狀態(tài)，則表明液態(tài)金屬的電阻增強(qiáng)。研究人員為了測量電阻，將傳感器連接到歐姆表，通過監(jiān)測電阻的數(shù)據(jù)變化，確定給定數(shù)量的氣壓會使機(jī)器魚身體起伏的幅度值。

圖丨機(jī)器魚起伏反饋控制器

研究人員將機(jī)器魚放在水箱中測試氣壓控制器，通過傳感器的數(shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)器人的游泳性能。他們發(fā)現(xiàn)了一種信號回路，該信號回路對控制器提供了一種自學(xué)習(xí)算法。

通過這種算法，當(dāng)適量的空氣通過氣動裝置時(shí)，可以進(jìn)行自動調(diào)整。這樣，機(jī)器魚可以根據(jù)水流速度保持與之適應(yīng)的游泳速度。這意味著，機(jī)器魚在河流等環(huán)境中，即使不前進(jìn)也不會被沖走。

“我們開發(fā)了一種流體動力學(xué)模型，可以預(yù)測機(jī)器魚的行為。這是基于之前的研究，我們測量了機(jī)器魚在收縮和身體僵硬狀態(tài)游泳時(shí)的峰值推力，并測試了前饋起伏運(yùn)動中的軟傳感器。本體感受性的軟感官反饋使機(jī)器人能夠響應(yīng)不同的流動條件?！盡PI-IS 的生物機(jī)器人和體細(xì)胞系統(tǒng)的運(yùn)動項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、該論文通訊作者 Ardian Jusufi 解釋說。

圖丨機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)裝置

“在這項(xiàng)工作中，我們采用了一種簡單的方法來構(gòu)建軟機(jī)器人魚的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，并通過控制器設(shè)計(jì)對其進(jìn)行擴(kuò)展。該模型可以輕松擴(kuò)展，而無需完全重建它。例如，研究機(jī)器人的縮放效果或測試不同類型的傳感技術(shù)。” 該論文第一作者、MPI-IS 的 Yu-Hsiang Lin 描述了生物機(jī)器人和體細(xì)胞系統(tǒng)中的運(yùn)動。

研究人員認(rèn)為，傳感器是一種全新的設(shè)計(jì)技術(shù)，并在該論文中將其描述為“超彈性液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器”。該技術(shù)是由首爾國立大學(xué) Yong-Lae Park 教授團(tuán)隊(duì)以及哈佛大學(xué)的 Daniel Vogt 共同開發(fā)的。

“通過生物學(xué)以及軟機(jī)器人技術(shù)，我們擁有了具有無限自由度的軟體機(jī)器人。這意味著，軟機(jī)器人身體的任何部分都可以變形。我們很難預(yù)估魚的形狀將如何變化，因?yàn)槲覀儫o法確定魚的形狀。在人體上安裝的傳感器數(shù)量很多，因?yàn)橹挥嘘P(guān)節(jié)數(shù)量有限的剛性機(jī)器人才能做到這一點(diǎn)?！?/p>

Jusufi 在接受外媒采訪時(shí)說：“該機(jī)器人將使我們能夠測試和完善關(guān)于游泳動物神經(jīng)力學(xué)的假設(shè)，并幫助我們改進(jìn)未來的水下機(jī)器人。除了首次在水下動態(tài)條件下表征軟應(yīng)變傳感器外，我們還開發(fā)了一種簡單而靈活的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法，以設(shè)計(jì)我們的游泳反饋控制器。該模型將引起科學(xué)界和將有助于加快軟機(jī)器人設(shè)計(jì)和操作的未來工作。在即將進(jìn)行的研究中，我們還將在陸上機(jī)器人中使用軟應(yīng)變傳感器，該傳感器可以爬升并克服復(fù)雜的障礙?！?/p>

通過研究魚類的游動規(guī)律來構(gòu)建機(jī)器人，有利于人造柔軟結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。未來，這種機(jī)器人也許可繼續(xù)探索海洋的深處，并提供更有價(jià)值的海洋生物數(shù)據(jù)。既避免產(chǎn)生噪音，又能減少傳統(tǒng)的推進(jìn)式潛艇面臨的糾纏風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)器魚也許會成為節(jié)能的新選擇，這也是越來越多的科研人員在開發(fā)軟致動器和傳感器上投入大量精力的原因。概括來說，該論文是魚類神經(jīng)力學(xué)及其形態(tài)智能領(lǐng)域的重要研究成果，或?qū)⒓铀俅龠M(jìn)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
編輯：lyn