【下半身|鳗鱼劈断后下半身还能运动，机器人：拿来吧你丨Science子刊封面】萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
机器人的部件通信中断后 ， 还能正常做动作吗？
这里的部件 ， 指传感器、通信总线、控制电路 ， 是机器人运动的核心 。
现在 ， 一群来自EPFL的科学家在观察鳗鱼后 ， 得出结论：可以！
他们模拟鳗鱼的结构 ， 造了个“通信中断也能继续运动”的机器人 ， 极大地提升了机器人的运动能力 。
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研究已经登上Science Robotics封面：
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一起来看看 。
控制&传感器中断 ， 也能做动作
通常来说 ， 如果动物的脊髓 （中枢神经系统）被截断 ， 就会出现对应的肢体瘫痪 。
即使是脊椎动物（如大部分鱼类） ， 切断脊髓后也无法协调动作 ， 运动能力严重下降 。
但鱼类中的鳗鱼 ， 在被砍断一半后 ， 下半身还能做出游泳的动作 。
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△从砧板上溜走的一截鳗鱼
这引起了科学家们的兴趣：能否给机器人也整一个？
机器人通常全靠“大脑”（总控制系统）来控制动作 ， 一旦总控信号中断 ， 就会导致全身“瘫痪”；如果掌握鳗鱼的运动技巧 ， 就能让运动控制变得更简单 。
对鳗鱼进行分析后 ， 研究人员发现了它的两点特征：
其一 ， 通过周围神经系统 ， 来感知环境并协调运动；其二 ， 通过中枢神经系统 ， 用一组神经元（神经振荡器）产生规律的肌肉活动来抵御通信中断 。
根据这两个特征 ， 科学家们设计了一个波动式游动的“鳗鱼”机器人 。
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首先 ， 环境感知部分 ， 即机器人的“周围神经系统” 。
研究人员设计了一组由通信电路、带有放大器的测压元件和纤维板构成的力学传感器 ， 作为机器人的“感应皮肤” ， 用来感知水中的动力 。
这组力学传感器被磁铁固定在机器人的外侧 ， 与相邻模块连接 ， 最终与头部相连 ， 它会将信号反馈给神经元 ， 以此控制左右侧“肌肉”的运动 。
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每个模块的顶部 ， 还有一个浮动元件 ， 用于运动跟踪 。
力学传感器和浮动元件 ， 共同构成了机器人的“皮肤”（图中黄色防水布外围的黑色部件） ， 机器人通过它们感知到水流压力 ， 实现贴着障碍物游动、同时避免撞上障碍物的效果 。
然后 ， 控制运动部分 ， 即机器人的“中枢神经系统” 。
这部分由10个伺服电机组成 ， 每部分都是一个独立电路 ， 由搭载Linux系统的计算机、电池和被动连接模块组成 ， 构成控制一段肌肉的系统 。
各部分控制系统完全独立 ， 即使某一部分损坏 ， 剩下的模块也能根据传感器实现规律的肌肉活动 ， 就像节拍器共振一样：
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运动起来非常有节奏感：
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然后 ， 再用一层防水泳衣将“中枢神经系统”裹住（外侧的黄色布料） ， 系统就做好了 。
这样的“鳗鱼”机器人 ， 真能在控制系统等部件坏掉时 ， 正常运动吗？
可贴墙游动 ， 多次中断也不停
研究人员在2米×6米×0.31米的水池里对机器人进行了测试 。
接受测试的结构有4种 ， 分别是无传感器（CPG）、无耦合（前后部件无关联）、无神经振荡器、全功能（论文所提结构） 。
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下图是人为短暂中断不同部件的运转后 ， 这几种机器人速度下降的情况（图A~P） ， 其中横轴表示中断次数：
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从图中来看 ， 中断类型分为4种：传感器中断、耦合中断、神经振荡器中断和三种部件全部中断 。
显然 ， 无论是三种部件全部中断、还是其中一种中断的情况下 ， 这一结构的机器人都要比其他几种机器人架构好得多 。
其他类型的几种机器人 ， 在面临多个部件中断的情况下 ， 次数超过9次后速度就已经下降到0 。
只有论文介绍的机器人结构 ， 在多部件中断9次后 ， 还能保持0.1m/s以上的速度 。
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这也表明 ， 论文中提出的机器人即使在“中枢神经系统”（总控）和“周围神经系统”（传感器）中只有一个起作用的情况下 ， 也能保持几乎不变的运动速度 。
只有在总控和传感器同时、多次中断的情况下 ， 机器人的速度才会缓慢下降 。
这项研究对于可重构和模块化机器人非常有用 ， 也能用于搜救和环境监测中 ， 提高了机器人的鲁棒性 。
作者介绍
一作Robin Thandiackal ， 本科毕业于ETH（苏黎世联邦理工学院） ， 博士毕业于EPFL（洛桑联邦理工学院） ， 目前在哈佛大学进行博士后工作 。
共同一作Kamilo Melo ， 曾经在EPFL进行博士后工作 ， 此后创立机器人公司KM-RoBoTa ， 同时仍然与EPFL进行学术合作 。
其他的8名作者 ， 则分别来自EPFL、法国南特大学数字科学实验室（LS2N）、日本东北大学、舍布鲁克大学 。
除了研究鳗鱼机器人以外 ， Kamilo Melo的公司还研究过抗摔抗掉落的蛇形机器人：
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论文地址：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabf6354
参考链接：
[1]https://spectrum.ieee.org/swimming-robot-eel-epfl
[2]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/past-members/thandiackal/
[3]https://www.epfl.ch/labs/biorob/people/melo/
— 完 —
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_原题《鳗鱼劈断后下半身还能运动 ， 机器人：拿来吧你丨Science子刊封面》
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