晃動(dòng)的蟑螂幫助研究人員穩(wěn)定蹣跚的機(jī)器人

哇，一只蟑螂!但它在蒼蠅拍出現(xiàn)之前就已經(jīng)消失了?，F(xiàn)在，研究人員利用這種臭蟲(chóng)的精湛技術(shù)創(chuàng)造了一種簡(jiǎn)單易行的方法來(lái)評(píng)估和改善機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

通常，需要對(duì)機(jī)械學(xué)，電子學(xué)和信息科學(xué)進(jìn)行繁瑣的建模，以了解昆蟲(chóng)或機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件如何平滑地協(xié)調(diào)以取得它們的位置。但在一項(xiàng)新的研究中，佐治亞理工學(xué)院的生物力學(xué)研究人員將蟑螂的沖刺歸結(jié)為方便的原理和方程式，然后他們用這些原理和方程式使測(cè)試機(jī)器人變得更好。

該方法告訴研究人員，每條腿如何獨(dú)立運(yùn)作，它們?nèi)绾握w融合在一起，以及它們?nèi)绾巫龅胶椭C或缺乏。盡管蟲(chóng)子和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)完全不同，但這種方法既適用于其他機(jī)器人，也適用于其他機(jī)器人和動(dòng)物。

生物機(jī)器人，蟑螂，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越的跑步者，神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)引導(dǎo)六條無(wú)可挑剔的進(jìn)化腿。機(jī)械機(jī)器人，一個(gè)消費(fèi)者模型，有四條粗短的腿，沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)，但依靠運(yùn)動(dòng)控制粗略物理力通過(guò)其底盤(pán)作為粗略信號(hào)粗略協(xié)調(diào)其笨重的步態(tài)。

“機(jī)器人體積更大，幾乎感覺(jué)不到它的環(huán)境。蟑螂有很多感官，可以更好地適應(yīng)崎嶇的地形。臀部高達(dá)臀部不會(huì)慢下來(lái)，”該研究的第一作者Izaak Neveln說(shuō)。在研究期間，他是喬治亞理工學(xué)院Simon Sponberg實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。

正如研究所稱，這種方法或“措施”超越了這些巨大的差異，這些差異遍及動(dòng)物風(fēng)格的機(jī)器人。

該研究的作者寫(xiě)道：“該測(cè)量是一般的(通用的)，無(wú)論信號(hào)是神經(jīng)尖峰模式，運(yùn)動(dòng)學(xué)，電壓或力，都可以使用它，并且不依賴于信號(hào)之間的特定關(guān)系。”

無(wú)論錯(cuò)誤或機(jī)器人如何運(yùn)作，度量的數(shù)學(xué)輸入和輸出總是在相同的單位。該措施并不總能消除對(duì)建模的需求，但它可以縮短和指導(dǎo)建模并避免令人痛苦的失誤。

作者于2019年8月在Nature Communications雜志上發(fā)表了這項(xiàng)研究。該研究由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。Sponberg是佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院和生物科學(xué)學(xué)院的助理教授。

通常，機(jī)器人或動(dòng)物通過(guò)中央系統(tǒng)發(fā)送許多行走信號(hào)以協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，但并非所有信號(hào)都是集中的。即使在人類中，雖然運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈依賴于來(lái)自中樞神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)，但是一些神經(jīng)信號(hào)被限制在身體的區(qū)域; 他們是本地化的信號(hào)。

一些昆蟲(chóng)似乎移動(dòng)時(shí)很少集中 - 例如棍狀蟲(chóng)，也稱為手杖，其腿幾乎獨(dú)立地刺激。棒蟲(chóng)是不穩(wěn)定的跑步者。

“這個(gè)想法一直是棍子蟲(chóng)對(duì)運(yùn)動(dòng)有更多的局部控制，而蟑螂的速度非?？?，需要保持穩(wěn)定，而且它的運(yùn)動(dòng)控制可能更集中，更像鐘表，”Neveln說(shuō)。

信號(hào)的強(qiáng)中心化通常更好地協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。它可能是代碼通過(guò)精心設(shè)計(jì)的機(jī)器人布線，蟑螂的中央神經(jīng)元同步它的腿，或笨重的機(jī)器人的底盤(pán)傾斜遠(yuǎn)離腿撞擊地面，從而將重量放在相對(duì)的腿上。機(jī)器人專家需要了解差異并找出運(yùn)動(dòng)的局部和中心信號(hào)的相互作用。

新的“措施”通過(guò)專注于行走腿中的總體現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這可以看作是來(lái)回?cái)[動(dòng)的擺動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動(dòng)，它們需要在所謂的相位耦合振蕩中進(jìn)行同步。

一個(gè)有趣，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了這個(gè)物理原理。如果鋼琴老師使用的一些節(jié)拍器 - 節(jié)拍器 - 擺動(dòng)不同步，并將它們?nèi)糠旁谝粋€(gè)隨著節(jié)拍器擺動(dòng)而自由擺動(dòng)的平臺(tái)上，則擺動(dòng)將同步同步。

它們的振蕩的相位或方向通過(guò)將它們的復(fù)合機(jī)械脈沖集中在平臺(tái)上而彼此耦合。相位耦合的這個(gè)特定例子是機(jī)械的，但它在蟑螂中也可以是計(jì)算的或神經(jīng)學(xué)的。

它的腿類似于擺動(dòng)的節(jié)拍器，以及類似于自由搖擺平臺(tái)的中樞神經(jīng)肌肉活動(dòng)。在蟑螂中，并非所有六條腿都朝同一方向擺動(dòng)。

“他們的同步不均勻。三條腿相互同步 - 一側(cè)的前腿和后腿與另一側(cè)的中腿同步 - 這三條腿與其他三條腿同步異相，”Neveln說(shuō)道。 。“這是一個(gè)交替的三腳架步態(tài)。三條腿的三腳架與三條腿的另一個(gè)三腳架交替。”

就像鐘擺一樣，每條腿的擺動(dòng)都可以畫(huà)成波浪。所有腿部的波浪都可以平均成一個(gè)整體的蟑螂波浪，然后發(fā)展成更有用的數(shù)學(xué)，將集中化與分散化和熵等因素聯(lián)系起來(lái)，這可以使運(yùn)動(dòng)控制失效。

由此產(chǎn)生的原理和數(shù)學(xué)使笨重的機(jī)器人受益，它的腿部馬達(dá)具有強(qiáng)大的分散信號(hào)，對(duì)腿部與地面的接觸作出反應(yīng)，并且集中控制比棒蟲(chóng)更弱。研究人員也繪制了機(jī)器人的動(dòng)作，但它們并沒(méi)有導(dǎo)致蟑螂的波浪整齊地同步。

研究人員將這些原理和數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)向了笨重的機(jī)器人，這種機(jī)器人最初是像彈簧高蹺一樣無(wú)用的或無(wú)用的跳躍。然后，科學(xué)家通過(guò)重新加權(quán)其底盤(pán)來(lái)加強(qiáng)集中控制，使其更加連貫。

“平臺(tái)上的節(jié)拍器是機(jī)械耦合，我們的機(jī)器人協(xié)調(diào)控制，”Neveln說(shuō)。“你可以通過(guò)重新定位它的重量來(lái)改變機(jī)器人的機(jī)械耦合。我們能夠通過(guò)使用我們從蟑螂開(kāi)發(fā)的測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)這將產(chǎn)生的變化。”

研究人員還將特定的蟑螂肌和神經(jīng)元連接起來(lái)，觀察它們與匆匆波的切分。十七只蟑螂花了2,982個(gè)步伐來(lái)告知原理和數(shù)學(xué)，這些錯(cuò)誤也給研究人員帶來(lái)了驚喜。

一個(gè)問(wèn)題突出：當(dāng)蟑螂加速時(shí)，科學(xué)家們認(rèn)為信號(hào)集中更多，但相反，中央和本地信號(hào)都得到了加強(qiáng)，可能會(huì)加倍消息：運(yùn)行!