美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員在我們的長腿昆蟲朋友蜈蚣的啟發(fā)下開發(fā)了幾種機(jī)器人。
蜈蚣以其搖擺不定的步態(tài)而聞名。它們有幾十到幾百條腿，可以不停地穿越任何地形。
工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的多足運(yùn)動(dòng)理論并創(chuàng)建了多足機(jī)器人模型，發(fā)現(xiàn)具有冗余腿的機(jī)器人可以像理論預(yù)測的那樣在不平坦的表面上移動(dòng)而無需任何額外的傳感或控制技術(shù)。這些機(jī)器人可以在復(fù)雜、崎嶇不平的地形上移動(dòng)——它們有可能用于農(nóng)業(yè)、太空探索，甚至搜索和救援。
“當(dāng)你看到一只奔跑的蜈蚣時(shí)，你基本上是在看到一種動(dòng)物，它生活在一個(gè)與我們的運(yùn)動(dòng)世界截然不同的世界中，”物理學(xué)院鄧恩家族教授丹尼爾戈德曼說。“我們的運(yùn)動(dòng)很大程度上受慣性支配。如果我擺動(dòng)腿，我的腳就會(huì)著地，然后向前移動(dòng)。但在蜈蚣的世界里，如果它們停止擺動(dòng)身體部位和四肢，它們基本上會(huì)立即停止移動(dòng)。”
物理學(xué)博士后研究員八喜沖說：“我們開始這個(gè)項(xiàng)目是為了看看如果機(jī)器人有更多的腿會(huì)發(fā)生什么：四條、六條、八條腿，甚至16條腿。”
該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種理論，提出為機(jī)器人增加腿對可以提高其在具有挑戰(zhàn)性的表面上穩(wěn)健移動(dòng)的能力——他們稱之為空間冗余的概念。這種冗余使機(jī)器人的腿能夠自行成功，而不需要傳感器來解釋環(huán)境。
如果一條腿步履蹣跚，那么多條腿也會(huì)步履蹣跚；無論如何，豐富的腿使它保持移動(dòng)。實(shí)際上，機(jī)器人成為一個(gè)可靠的系統(tǒng)，可以在困難或“嘈雜”的環(huán)境中將自身甚至貨物從A地運(yùn)送到B地。這個(gè)概念類似于如果軌道或鐵路足夠光滑但無需設(shè)計(jì)環(huán)境來創(chuàng)造這種準(zhǔn)時(shí)性，那么如何保證輪式運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)時(shí)性。
“對于先進(jìn)的雙足機(jī)器人，通常需要許多傳感器來實(shí)時(shí)控制它，”Chong說。“但在搜索和救援、探索火星，甚至微型機(jī)器人等應(yīng)用中，需要驅(qū)動(dòng)具有有限感知能力的機(jī)器人。這種無傳感器的舉措有很多原因。傳感器可能既昂貴又脆弱，或者環(huán)境變化如此之快以至于不允許足夠的傳感器-控制器響應(yīng)時(shí)間。”
研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來測試這個(gè)機(jī)器人，他們在那里建造了地形來模擬不一致的自然環(huán)境。然后，他們通過每次將腿數(shù)增加兩條來測試機(jī)器人，從六條開始，最終增加到16條。正如理論所預(yù)測的那樣，即使沒有傳感器，隨著腿數(shù)的增加，機(jī)器人也可以更靈活地穿越地形。最終，他們在戶外真實(shí)地形上測試了機(jī)器人，它能夠穿越各種環(huán)境。
“見證多足機(jī)器人在基于實(shí)驗(yàn)室的地形和室外環(huán)境中導(dǎo)航的熟練程度真是令人印象深刻，”博士說。機(jī)器人專業(yè)的學(xué)生。“雖然雙足和四足機(jī)器人嚴(yán)重依賴傳感器穿越復(fù)雜的地形，但我們的多足機(jī)器人利用腿冗余，可以通過開環(huán)控制完成類似的任務(wù)。”
研究人員現(xiàn)在想要改進(jìn)機(jī)器人并確定最佳腿數(shù)，以在不進(jìn)行傳感的情況下以一種經(jīng)濟(jì)高效但仍保留優(yōu)勢的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
