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机器人如何在沙地上自如行走?地面动力学可以给出答案!

机器人行走这件事早已不再是科幻故事中的情节了,但要让机器人走得像动物一样高效稳健,科学家们依然绞尽脑汁。比如,沙、土、泥淖和草等“可流动地面”就会令机器人陷入其中,寸步难行。近日佐治亚理工学院的黎陈、张廷楠、丹尼尔·埃文·戈德曼(Daniel I. Goldman)教授在《科学》杂志上发表的论文中,运用“生物启发”的概念,基于观察对蜥蜴和机器人在沙地上运动,通过物理实验和建模创造了第一个针对用腿在沙地上行走的地面动力学。通过机器人测试和电脑模拟,地面动力学可以准确预测机器人在沙地上的运动,并预测最优的腿的形状,使机器人在沙地行走的速度大大提高。

“经过100多年的发展,基于纳维-斯托克斯方程的现代空气动力学和水动力学帮助人们逐步了解为什么鸟儿和昆虫能飞行,为什么鱼儿能游泳。这些原理不仅帮助人类发明了飞机,改进了船和潜水艇,还在近年创造出各种各样会飞和会游的机器人。”黎陈博士对果壳网说,“而相比于空气动力学和水动力学,我们对于会流动的地面的动力学知之甚少。这个问题的后果就是我们无法像空气动力学和水动力学那样解释和预测动物和机器人如何在自然界的复杂地面上运动。”

黎陈等人的研究,目的在于发现一个有效的地面动力学原理,并以此为依据制造能在地面上用腿高效运动的机器人。他们所观察的对象是斑马尾蜥蜴(zebra-tailed lizard,一种生活在沙漠中的蜥蜴)和机器人RHex(由Daniel E. Koditschek教授等人及美国Boston Dynamics公司发明)。通过对比实验中和电脑模拟出的RHex机器人采用不同形状的腿在沙地上跑的速度,他们证明了地面动力学可以准确预测沙地上的运动。地面动力学不仅成功地预测出RHex机器人采用正C形的腿(腿的凸面首先接触沙地)跑得最快,还可以用来预测其他机器人在沙地上运动所需的最优腿型。

RHex机器人用不同腿型在沙地上运动。视频来源:研究者黎陈、张廷楠、丹尼尔.埃文.戈德曼。

针对黎陈博士的采访,果壳网还了解到一个新的名词——“生物启发”。它与我们常说的“仿生学”并非同一概念:仿生(biomimetics),是通过对生物外在形态的模仿,以期在人造系统中取得和生物系统类似的功能,比如因伤残截肢的士兵所用的仿生假肢。但仿生过程不要求弄清生物系统产生其能力的内在原理。而生物启发(bioinspiration),是要弄清楚生物系统的内在原理,然后把这些原理应用到人造系统来获得相似的功能,而所创造的人造系统并不一定看上去像生物系统,比如刀锋战士Oscar Pistorius用来跑步的假肢。从这个意义上说,生物启发是仿生学的一个进步:前者关注“为什么”而后者关注“怎样”,模仿的对象从表面形态升华为内部机制。

黎陈认为,这个由生物启发而来的地表动力学,目前只针对用腿在沙地上运动,但我们可以预期未来更多研究将创造一整套地表动力学,不光适用于沙地,还能用于像碎石、泥土、沼泽,雪地、草丛、雨林里的落叶堆等复杂地形,甚至火星表面的沙地,或者坍塌建筑物的砖瓦堆。这类机器人研究的应用价值和市场潜力将不可估量。

 

更正说明:由于编者疏忽,本文发布之初原文有一些语义不清或误导之处:文章所提研究中机器人最优腿的形状并非蜥蜴腿的形状,而是由地面动力学预测得到,故原标题“机器人如何在沙漠中自如行走?启发来自蜥蜴腿!”和原文中的描述“……阐释了如何运用‘生物启发’的概念,通过观察蜥蜴和机器人的运动规律,加以机器人和电脑模拟验证,不仅使机器人地表行走的速度大大提高……”有误。特此更正。

感谢黎陈博士提供修改建议。

 

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参考文献:Li C., Zhang T., and Goldman D.I., A terradynamics of legged locomotion on granular media, Science (2013)

信息来源: EurekAlert!

 

The End

发布于2013-03-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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