进化与工程:为什么机器人无法超越动物?

进化与工程:为什么机器人无法超越动物?西蒙-弗雷泽大学生物医学生理学和运动学系教授马克斯-多纳兰博士说:"角马可以在崎岖的地形上迁徙数千公里,山羊可以攀爬到真正的悬崖峭壁,找到看起来根本不存在的支点,蟑螂失去一条腿也不会减速。我们还没有任何机器人能够具备这样的耐力、灵活性和坚固性"。为了了解机器人落后于动物的原因并对其进行量化,一个由顶尖研究型大学的科学家和工程师组成的跨学科团队完成了对运行机器人各方面的详细研究,并将其与动物的同类产品进行了比较,论文发表在《科学机器人学》(ScienceRobotics)上。论文发现,按照工程师们使用的衡量标准,生物部件的表现比人造部件差得令人吃惊。不过,动物的长处在于它们对这些部件的整合和控制。除多纳兰博士外,团队成员还包括华盛顿大学电子与计算机工程系副教授萨姆-伯登博士、SRI国际公司高级研究工程师汤姆-利比、科罗拉多大学博尔德分校保罗-M-拉迪机械工程系助理教授考希克-贾亚拉姆和佐治亚理工学院邓恩家族物理与生物科学副教授西蒙-斯庞伯格。研究人员分别研究了五个不同"子系统"(动力、框架、驱动、传感和控制)中的一个,并将其与生物等同物进行了比较。在此之前,人们普遍认为,动物之所以比机器人表现出色,一定是由于生物组件的优越性。利比说:"事情的结果是,除少数例外,工程子系统的性能都优于生物等同系统,有时甚至完全优于它们。但同样非常非常明显的是,如果在整个系统层面上将动物与机器人进行比较,就运动而言,动物是惊人的。而机器人尚未赶上"。研究人员指出,如果把机器人技术发展所需的相对较短的时间与千百万年来无数代动物的进化过程相比,机器人技术的发展实际上是非常迅速的。伯登说:"进化的速度会更快,因为进化是不定向的。我们可以在很大程度上纠正我们设计机器人的方式,在一个机器人身上学到一些东西,然后把它下载到其他机器人身上,而生物学却没有这种选择。因此,在设计机器人时,我们有办法比通过进化来得更快,但进化有一个巨大的领先优势。"有效运行的机器人不仅仅是一项工程挑战,它还提供了无数潜在用途。在为人类设计的世界中,轮式机器人往往难以驾驭,无论是解决"最后一英里"的送货难题,还是在危险环境中进行搜索或处理危险材料,这项技术都有许多潜在的应用领域。研究人员希望,这项研究将有助于指导未来机器人技术的发展,重点不是制造更好的硬件,而是了解如何更好地集成和控制现有硬件。多纳兰总结说:"随着工程学从生物学中学习集成原理,运行中的机器人将变得与生物机器人一样高效、敏捷和强大。"编译来源:ScitechDaily...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428528.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1428528.htm

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工程人员实现让软体机器人运动的一种新方法"毛毛虫的运动是由其身体的局部曲率控制的--当它把自己往前拉的时候,它的身体曲线与它把自己往后推的时候不同,"关于这项工作的一篇论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程系安德鲁-亚当斯特聘教授朱勇说。"我们从毛虫的生物力学中获得灵感,模仿这种局部曲率,并使用纳米线加热器来控制毛虫机器人的类似曲率和运动。朱说:"设计能够在两个不同方向上移动的软体机器人是软体机器人技术的一个重大挑战。嵌入式纳米线加热器使我们能够以两种方式控制机器人的运动。我们可以通过控制软体机器人中的加热模式来控制机器人的哪些部分弯曲。而且我们可以通过控制施加的热量来控制这些部分弯曲的程度。"毛毛虫机器人由两层聚合物组成,它们在受热时反应不同。底层在受热时收缩,或者说收缩。顶层在受热时膨胀。一个银纳米线的图案被嵌入膨胀的聚合物层中。该图案包括研究人员可以施加电流的多个引线点。研究人员可以通过向不同的引出点施加电流来控制纳米线图案的哪些部分发热,并且可以通过施加更多或更少的电流来控制发热量。"我们证明了毛毛虫机器人能够将自己向前拉,并将自己向后推,"该论文的第一作者、北卡罗来纳州的博士后研究员ShuangWu说。"一般来说,应用的电流越大,它在任何一个方向上的移动速度就越快。然而,我们发现有一个最佳周期,它给了聚合物冷却的时间--有效地让'肌肉'在再次收缩之前放松。如果我们试图让毛毛虫机器人循环得太快,身体在再次收缩之前没有时间'放松',这就损害了它的运动。"研究人员还证明,毛毛虫机器人的运动可以被控制,以至于用户能够将其引导到一个非常低的缝隙下--类似于引导机器人滑到门下。从本质上讲,研究人员可以控制向前和向后的运动,以及机器人在该过程中的任何一点向上弯曲的高度。"这种在软体机器人中驱动运动的方法是高度节能的,我们有兴趣探索如何使这个过程更加有效,"朱说。"接下来的其他步骤包括将这种软体机器人运动的方法与传感器或其他技术相结合,以用于各种应用--如搜索和救援设备。"...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358717.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1358717.htm

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哥伦比亚工程师开发出学会了了解自己而非周围环境的一个机器人我们对自己身体的认知并不总是正确或现实的,任何运动员或追求时尚的人都知道,但这是我们在社会中的行为方式的一个关键因素。在你打球或穿衣服时,你的大脑不断为运动做准备以便你能在不碰撞、不绊倒、不摔倒的情况下移动身体。人类在婴儿时期就发展了我们的身体模型,而机器人也开始做同样的事情。ColumbiaEngineering的一个团队日前透露,他们已经开发出一种机器人,第一次可以从头开始学习整个身体的模型而无需任何人类的帮助。研究人员在最近发表在《ScienceRobotics》上的一篇论文中解释了他们的机器人是如何为自己建立一个运动学模型的以及它是如何利用这个模型来计划运动、完成目标并在一系列情况下避免障碍物--甚至对其身体的损害也能自动检测和纠正。这个机器人像婴儿在镜子中探索自己一样观察自己研究人员将一个机器人手臂放在一个由五个流媒体视频摄像机组成的圆圈内。机器人在自由起伏时通过摄像机观察自己。就像一个婴儿在镜子大厅里第一次探索自己一样,机器人扭动和扭曲以了解它的身体是如何响应各种运动指令而移动的。大约三小时后,机器人停了下来。它的内部深度神经网络已经完成了对机器人的运动动作和它在环境中占据的体积之间关系的学习。“我们真的很好奇,想看看机器人是如何想象自己的,”机械工程教授兼哥伦比亚大学创意机器实验室主任HodLipson说道,“但你不能只是偷看一个神经网络,它是一个黑盒子。”在研究人员挣扎于各种可视化技术之后,自我形象逐渐出现了。“它是一种轻轻闪烁的云,似乎要吞噬机器人的三维身体。随着机器人的移动,闪烁的云彩轻轻地跟着它。机器人的自我模型精确到其工作空间的大约1%,”Lipson说道。自我建模的机器人将带来更多自力更生的自主系统机器人在没有工程师协助的情况下进行自我建模的能力是非常重要的,原因很多。它不仅能节省劳动力而且还能让机器人跟上自己的磨损,甚至检测和补偿损坏。研究人员们认为,这种能力非常重要,因为我们需要自主系统更加自力更生。如一个工厂机器人可以检测到某些东西移动不正确并进行补偿或呼叫援助。“我们人类显然有一个自我的概念,”该研究的论文第一作者BoyuanChen说道,“闭上眼睛,试着想象一下,如果你要采取一些行动如向前伸展手臂或向后退一步,你自己的身体会如何移动。在我们大脑的某个地方,我们有一个自我的概念,一个自我模型,它告诉我们,我们占据了我们周围环境的什么体积及这个体积如何随着我们的移动而变化。”机器人的自我意识这项工作是Lipson数十年来寻求赋予机器人某种形式的自我意识的方法的一部分。”自我建模是自我意识的原始形式。如果一个机器人、动物或人类有一个准确的自我模型,那么它可以在这个世界上更好地发挥作用、可以做出更好的决定并且具有进化优势。”研究人员意识到,围绕着通过自我意识赋予机器更大的自主权存在着限制、风...PC版:https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306875.htm手机版:https://m.cnbeta.com/view/1306875.htm

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