麻省理工學(xué)院，哥倫比亞大學(xué)和其他地方的研究人員從生物細(xì)胞中獲得啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出計(jì)算簡(jiǎn)單的機(jī)器人，這些機(jī)器人可以連接大群體來(lái)移動(dòng)，運(yùn)輸物體和完成其他任務(wù)。
這個(gè)所謂的“粒子機(jī)器人”系統(tǒng) - 基于麻省理工學(xué)院，哥倫比亞工程學(xué)院，康奈爾大學(xué)和哈佛大學(xué)研究人員的項(xiàng)目 - 包括許多單獨(dú)的盤(pán)形單元，研究人員將其稱為“粒子”。粒子通過(guò)松散連接圍繞著他們周邊的磁鐵，每個(gè)單位只能做兩件事：擴(kuò)張和收縮。(每個(gè)粒子在收縮狀態(tài)下約為6英寸，在伸展時(shí)約為9英寸。)當(dāng)仔細(xì)定時(shí)時(shí)，該運(yùn)動(dòng)允許單個(gè)粒子以協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的方式相互推拉。板載傳感器使群集能夠吸引光源。
在一篇 Nature 論文中，研究人員演示了一組由二十幾個(gè)真實(shí)機(jī)器人粒子組成的虛擬模擬，以及一個(gè)通過(guò)障礙物向燈泡移動(dòng)的多達(dá)100,000個(gè)粒子的虛擬模擬。他們還表明，粒子機(jī)器人可以運(yùn)輸放置在其中間的物體。
粒子機(jī)器人可以形成許多配置，并在障礙物周圍流暢地導(dǎo)航并擠過(guò)緊密的間隙。值得注意的是，沒(méi)有一個(gè)粒子直接與彼此通信或相互依賴以起作用，因此可以添加或減少粒子而不會(huì)對(duì)組產(chǎn)生任何影響。在他們的論文中，研究人員表明，即使許多單位發(fā)生故障，粒子機(jī)器人系統(tǒng)也能完成任務(wù)。
本文提出了一種思考機(jī)器人的新方法，這種機(jī)器人傳統(tǒng)上是為一個(gè)目的而設(shè)計(jì)的，包含許多復(fù)雜的部件，并在任何部件出現(xiàn)故障時(shí)停止工作。研究人員表示，由這些簡(jiǎn)單組件組成的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)更具可擴(kuò)展性，靈活性和強(qiáng)大的系統(tǒng)。
“我們擁有的小型機(jī)器人單元不像個(gè)人那么強(qiáng)大，但可以作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)完成很多工作，”計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)主任Daniela Rus和Andrew and Erna Viterbi電氣工程教授說(shuō)。計(jì)算機(jī)科學(xué)。“機(jī)器人本身是靜態(tài)的，但當(dāng)它與其他機(jī)器人粒子連接時(shí)，機(jī)器人集體可以突然探索世界并控制更復(fù)雜的行動(dòng)。利用這些“通用細(xì)胞”，機(jī)器人粒子可以實(shí)現(xiàn)不同的形狀，全局變換，全局運(yùn)動(dòng)，全局行為，并且正如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所示，遵循光的梯度。這非常強(qiáng)大。“
加入羅斯的論文是：第一作者李曙光，CSAIL博士后; 共同第一作者Richa Batra和相應(yīng)的作者Hod Lipson，哥倫比亞工程學(xué)院; Cornell的David Brown，Hyun-Dong Chang和Nikhil Ranganathan; 和哈佛的查克霍伯曼。
在麻省理工學(xué)院，Rus已經(jīng)開(kāi)發(fā)了近20年的模塊化連接機(jī)器人，包括一個(gè)可以連接到其他人來(lái)移動(dòng)的擴(kuò)展和收縮立方體機(jī)器人。但方形限制了機(jī)器人的群體運(yùn)動(dòng)和配置。
在Lipson實(shí)驗(yàn)室的合作下，李在2014年進(jìn)入麻省理工學(xué)院之前是博士后，研究人員采用了可以相互旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)形機(jī)構(gòu)。它們還可以相互連接和斷開(kāi)，并形成許多配置。
粒子機(jī)器人的每個(gè)單元都有一個(gè)圓柱形底座，里面裝有一個(gè)電池，一個(gè)小電機(jī)，檢測(cè)光強(qiáng)度的傳感器，一個(gè)微控制器，以及一個(gè)發(fā)出和接收信號(hào)的通信元件。安裝在頂部的兒童玩具叫做霍伯曼飛行環(huán) - 它的發(fā)明者是該論文的共同作者之一 - 它由連接成圓形結(jié)構(gòu)的小面板組成，可以拉伸展開(kāi)并推回合同。每個(gè)面板上安裝兩個(gè)小磁鐵。
訣竅在于編程機(jī)器人粒子以精確的順??序擴(kuò)展和收縮，以將整個(gè)組推向并拉向目標(biāo)光源。為此，研究人員為每個(gè)粒子配備了一種算法，該算法可以分析來(lái)自其他每個(gè)粒子的光強(qiáng)度的廣播信息，而無(wú)需直接的粒子到粒子的通信。
粒子的傳感器檢測(cè)來(lái)自光源的光的強(qiáng)度; 粒子離光源越近，強(qiáng)度越大。每個(gè)粒子不斷地廣播與所有其他粒子共享其感知強(qiáng)度水平的信號(hào)。假設(shè)一個(gè)粒子機(jī)器人系統(tǒng)測(cè)量1到10級(jí)的光強(qiáng)度：最接近光的粒子注冊(cè)10級(jí)，最遠(yuǎn)的粒子注冊(cè)1級(jí)。反過(guò)來(lái)，強(qiáng)度級(jí)別對(duì)應(yīng)于粒子必須的特定時(shí)間。擴(kuò)大。經(jīng)歷最高強(qiáng)度的粒子 - 級(jí)別10 - 首先擴(kuò)展。隨著這些粒子收縮，下一個(gè)粒子按順序排列，然后擴(kuò)展。該定時(shí)擴(kuò)展和收縮動(dòng)議發(fā)生在每個(gè)后續(xù)級(jí)別。
“這會(huì)形成一個(gè)機(jī)械膨脹 - 收縮波，一個(gè)協(xié)調(diào)的推動(dòng)和拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使一個(gè)大的集群朝向或遠(yuǎn)離環(huán)境刺激，”李說(shuō)。Li補(bǔ)充說(shuō)，關(guān)鍵部件是粒子間共享同步時(shí)鐘的精確定時(shí)，能夠盡可能高效地進(jìn)行移動(dòng)：“如果弄亂同步時(shí)鐘，系統(tǒng)的工作效率就會(huì)降低。”
在視頻中，研究人員演示了一個(gè)粒子機(jī)器人系統(tǒng)，包括真實(shí)粒子移動(dòng)和改變方向朝向不同的燈泡，當(dāng)它們被輕彈，并通過(guò)障礙物之間的間隙。在他們的論文中，研究人員還表明，模擬的多達(dá)10,000個(gè)粒子的團(tuán)簇保持運(yùn)動(dòng)，速度只有其一半，甚至高達(dá)20%的單位失敗。
“它有點(diǎn)像眾所周知的'灰色粘性'，”哥倫比亞工程公司機(jī)械工程教授利普森說(shuō)，他參考了包含數(shù)十億納米機(jī)器人的自我復(fù)制機(jī)器人的科幻概念。“這里的關(guān)鍵新穎之處在于，你有一種新的機(jī)器人，它沒(méi)有集中控制，沒(méi)有單點(diǎn)故障，沒(méi)有固定的形狀，而且它的組件沒(méi)有獨(dú)特的身份。