晃動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。現(xiàn)在，研究人員利用這種臭蟲的精湛技術(shù)創(chuàng)造了一種簡單易行的方法來評估和改善機(jī)器人的運(yùn)動。

通常，需要對機(jī)械學(xué)，電子學(xué)和信息科學(xué)進(jìn)行繁瑣的建模，以了解昆蟲或機(jī)器人的運(yùn)動部件如何平滑地協(xié)調(diào)以取得它們的位置。但在一項新的研究中，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。盡管蟲子和機(jī)器人的運(yùn)動動態(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)信號引導(dǎo)六條無可挑剔的進(jìn)化腿。機(jī)械機(jī)器人，一個消費(fèi)者模型，有四條粗短的腿，沒有神經(jīng)系統(tǒng)，但依靠運(yùn)動控制粗略物理力通過其底盤作為粗略信號粗略協(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)臀部不會慢下來，”該研究的第一作者Izaak Neveln說。在研究期間，他是喬治亞理工學(xué)院Simon Sponberg實(shí)驗室的博士后研究員。

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

該研究的作者寫道：“該測量是一般的(通用的)，無論信號是神經(jīng)尖峰模式，運(yùn)動學(xué)，電壓或力，都可以使用它，并且不依賴于信號之間的特定關(guān)系。”

無論錯誤或機(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)表了這項研究。該研究由美國國家科學(xué)基金會資助。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)器人或動物通過中央系統(tǒng)發(fā)送許多行走信號以協(xié)調(diào)運(yùn)動，但并非所有信號都是集中的。即使在人類中，雖然運(yùn)動強(qiáng)烈依賴于來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)的信號，但是一些神經(jīng)信號被限制在身體的區(qū)域; 他們是本地化的信號。

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

“這個想法一直是棍子蟲對運(yùn)動有更多的局部控制，而蟑螂的速度非常快，需要保持穩(wěn)定，而且它的運(yùn)動控制可能更集中，更像鐘表，”Neveln說。

信號的強(qiáng)中心化通常更好地協(xié)調(diào)運(yùn)動。它可能是代碼通過精心設(shè)計的機(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)器人的底盤傾斜遠(yuǎn)離腿撞擊地面，從而將重量放在相對的腿上。機(jī)器人專家需要了解差異并找出運(yùn)動的局部和中心信號的相互作用。

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

一個有趣，簡單的實(shí)驗說明了這個物理原理。如果鋼琴老師使用的一些節(jié)拍器 - 節(jié)拍器 - 擺動不同步，并將它們?nèi)糠旁谝粋€隨著節(jié)拍器擺動而自由擺動的平臺上，則擺動將同步同步。

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

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

“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說道。 。“這是一個交替的三腳架步態(tài)。三條腿的三腳架與三條腿的另一個三腳架交替。”

就像鐘擺一樣，每條腿的擺動都可以畫成波浪。所有腿部的波浪都可以平均成一個整體的蟑螂波浪，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，這可以使運(yùn)動控制失效。

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，對腿部與地面的接觸作出反應(yīng)，并且集中控制比棒蟲更弱。研究人員也繪制了機(jī)器人的動作，但它們并沒有導(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用的或無用的跳躍。然后，科學(xué)家通過重新加權(quán)其底盤來加強(qiáng)集中控制，使其更加連貫。

“平臺上的節(jié)拍器是機(jī)械耦合，我們的機(jī)器人協(xié)調(diào)控制，”Neveln說。“你可以通過重新定位它的重量來改變機(jī)器人的機(jī)械耦合。我們能夠通過使用我們從蟑螂開發(fā)的測量來預(yù)測這將產(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，觀察它們與匆匆波的切分。十七只蟑螂花了2,982個步伐來告知原理和數(shù)學(xué)，這些錯誤也給研究人員帶來了驚喜。

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