最新型蜈蚣式仿生機(jī)器人有望擺脫傳感器依賴

新一期美國(guó)《科學(xué)》雜志上面首次披露美國(guó)佐治亞理工學(xué)院科研人員研發(fā)的多足機(jī)器人，這種能夠高效通過(guò)崎嶇不平的路面，而且不必依賴傳感器隨時(shí)探測(cè)路面情況的機(jī)器人的靈感來(lái)自于蜈蚣，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。

物理學(xué)院教授丹尼爾戈德曼說(shuō)：“當(dāng)你看到一只蜈蚣在奔跑時(shí)，你看到的是一種生活在和我們不同的世界里的動(dòng)物。在我們的世界里，運(yùn)動(dòng)的規(guī)則主要是慣性。例如，當(dāng)我們擺動(dòng)腿時(shí)，我們的腳會(huì)落地并向前移動(dòng)。但是，在蜈蚣的世界里，如果它們停止身體和四肢的擺動(dòng)，它們就會(huì)立即停止移動(dòng)。”

根據(jù)這一特征，佐治亞理工學(xué)院的物理學(xué)家、工程師和數(shù)學(xué)家團(tuán)隊(duì)們開發(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)揮蜈蚣運(yùn)動(dòng)特性的優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)了具有冗余腿的機(jī)器人可以像理論預(yù)測(cè)的那樣在不平坦的表面上移動(dòng)，而無(wú)需任何額外的傳感或控制技術(shù)，而這些機(jī)器人恰恰是在復(fù)雜、崎嶇不平的地形上移動(dòng)等場(chǎng)景下最合適的解決方法之一，將來(lái)可以用做農(nóng)業(yè)、搜救甚至是太空探索。

數(shù)學(xué)家克勞德香農(nóng)的通信理論中提到，在復(fù)雜的通信線路中，為了確保信息從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)，不是把它作為連續(xù)的信號(hào)發(fā)送，而是將它分解成離散的數(shù)字單元，然后使用適當(dāng)?shù)木幋a方法來(lái)重復(fù)傳輸，這種方法可以減少因干擾和噪聲而導(dǎo)致的信息丟失。

受到這個(gè)理論的啟發(fā)，研究人員們提出了一種理論，提出給機(jī)器人增加腿對(duì)可以提高它在具有挑戰(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，并且開始測(cè)試冗余是否有助于物質(zhì)運(yùn)輸，所以將更多的腿安裝到機(jī)器人身上，從4條腿到后來(lái)增加至16條腿。

結(jié)果是這種冗余使機(jī)器人的腿能夠自行成功，它不需要傳感器來(lái)解釋環(huán)境，哪怕一條腿不穩(wěn)，多條腿都會(huì)讓它繼續(xù)移動(dòng)。與先進(jìn)的雙足機(jī)器人不同，雙足機(jī)器人通常需要許多傳感器來(lái)實(shí)時(shí)控制它，但在搜索和救援、探索火星甚至微型機(jī)器人等應(yīng)用中常常因?yàn)榄h(huán)境變化得快而導(dǎo)致機(jī)器人可能會(huì)出現(xiàn)行動(dòng)癱瘓。

研究人員已經(jīng)將他們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。戈德曼與他人共同創(chuàng)立了一家公司，該公司希望使用這些機(jī)器人來(lái)為除草劑無(wú)效的農(nóng)田除草。接下來(lái)，研究人員們將著重測(cè)試完成復(fù)雜任務(wù)的最少機(jī)械腿的數(shù)量，以得到在如此復(fù)雜的系統(tǒng)中能量、速度、功率和穩(wěn)健性之間的平衡，最大化降低成本和能耗，使其可以在未來(lái)得到商業(yè)化。