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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!

退思 发表于  2013-03-24 02:19

沙地上腿部运动的地面动力学。 图片人物从左至右:丹尼尔.埃文.戈德曼、黎陈。图片来自研究者黎陈、张廷楠、丹尼尔.埃文.戈德曼。

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!

 

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全部评论(33)
  • 1楼
    2013-03-24 02:21 Expelliarmus

    Sf

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  • 2楼
    2013-03-24 02:41 fengfeixue0219 植物分子生物学博士

    视频挂了。

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  • 3楼
    2013-03-24 03:57 小泪痕

    没有那个风动竹节不明物体吓人····

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  • 4楼
    2013-03-24 09:18 朱开磊

    萌!

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  • 5楼
    2013-03-24 09:52 X_Deus

    为什么视频的尺寸也很萌呢?。。。不过,小机器人更萌。。。^_^

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  • 6楼
    2013-03-24 10:03 喵大很大

    仿生学果然近来得到高度重视啊~

    我始终相信经历千百万年适者生存留下来的物种,必然有它们叼爆了的地方。

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  • 7楼
    2013-03-24 10:37 退思
    引用@fengfeixue0219 的话:视频挂了。

    诶? 我看没问题啊

    [1] 评论
  • 8楼
    2013-03-24 10:38 退思
    引用@一纳米深海 的话:仿生学果然近来得到高度重视啊~我始终相信经历千百万年适者生存留下来的物种,必然有它们叼爆了的地方。

    注意 不是仿生学哦 倒数第二段有说明

    [0] 评论
  • 9楼
    2013-03-24 11:32 给我一支火因
    引用@退思 的话:注意 不是仿生学哦 倒数第二段有说明


    其实还是仿生学,只不过更深入了而已。

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  • 10楼
    2013-03-24 11:53 猪了个去 智能科学专业

    虽然这个机器人是好多年前的玩意了。。。。。
    不过仿生学还是好孩子啊~

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  • 11楼
    2013-03-24 11:55 这-不科学

    其实就是把汽车的轮子改成了一段圆弧了吧,不知道和相同尺寸的轮子比效果会怎么样

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  • 12楼
    2013-03-24 13:37 喵大很大
    引用@退思 的话:注意 不是仿生学哦 倒数第二段有说明

    好吧,对不起我确实没有全部看完,自罚一杯……

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  • 13楼
    2013-03-24 13:51 北京一青年

    猫和老鼠动画片里 都是这么跑的

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  • 14楼
    2013-03-24 14:30 何以袖手 高分子材料硕士生

    怎么看上去像小版的rhex啊

    [0] 评论
  • 15楼
    2013-03-24 14:34 蓑雨吟

    为什么不用电池。。

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  • 16楼
    2013-03-24 14:36 他傲娇丁叔 .net/网络工程师,电子商务师

    跟沙漠特种车辆的球型轮基本一样。
    有专业人士分析下“流沙”情况下球型轮和这种机械腿哪个性能好吗?

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  • 17楼
    2013-03-24 17:40 Ticl4

    波士顿公司有个加强,
    http://www.tudou.com/programs/view/5h94_0ZTvYw/
    PS:难道公司是借鉴这个研发的?

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  • 18楼
    2013-03-24 18:02 erstwhile
    引用@一纳米深海 的话:仿生学果然近来得到高度重视啊~我始终相信经历千百万年适者生存留下来的物种,必然有它们叼爆了的地方。


    熊猫呢。。。。。。。。。

    [0] 评论
  • 19楼
    2013-03-24 18:57 ice-and-fire
    引用@北京一青年 的话:猫和老鼠动画片里 都是这么跑的

    +1

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  • 20楼
    2013-03-24 20:37 喵大很大
    引用@erstwhile 的话:熊猫呢。。。。。。。。。

    熊猫进化出了国宝光环……

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  • 21楼
    2013-03-24 21:17 铬天青S
    引用文章内容:黎陈

    。。。难道不该是陈黎吗。。。

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  • 22楼
    2013-03-24 21:52 地煞七十二变
    仔细观察 这个机器人是借鉴 蜥蜴的走路姿态,但是脚和蜥蜴相差太多了
    你做不到脚蹼和脚趾的灵活配合 就不会有蜥蜴的跑步效果。
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  • 23楼
    2013-03-24 21:52 晨雨i

    我怎么觉得这货叫轮子比较合适?

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  • 24楼
    2013-03-24 21:56 地煞七十二变
    引用@地煞七十二变 的话:

    发明者也够2 了,已经有蛇形机器人了 还在考虑 腿型和轮型那个好使。。。。
    老外真是out了。

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  • 25楼
    2013-03-24 22:23 遥远的星空

    直接履带好了

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  • 26楼
    2013-03-24 22:49 地煞七十二变

    蛇形机器人才是全地形 制霸!

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  • 27楼
    2013-03-25 02:31 小姬 新华社记者,资深科幻迷

    这个超级萌!

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  • 28楼
    2013-03-25 09:37 架構夢想

    萌物....

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  • 29楼
    2013-03-27 08:53 www.bzhan.net

    原来如此

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  • 30楼
    2013-04-13 13:55 大东哥
    引用@这-不科学 的话:其实就是把汽车的轮子改成了一段圆弧了吧,不知道和相同尺寸的轮子比效果会怎么样

    有理,C型“腿”不一定比得上圆形的轮子,仿生的目的是达到更好的应用效果,不然还不如去做玩具娃娃。

    [0] 评论

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退思 心理学硕士

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