18 小時就能創(chuàng)建一臺機器人？

來自江蘇的 90 后科學(xué)家杜韜實現(xiàn)了，這是一款海星機器人（下稱 “海星”），外形酷似真實的海星。

他告訴 DeepTech，此前很多海底機器人因為外形奇異，在水下執(zhí)行探測任務(wù)時，往往會嚇到水底生物，而本次機器人的仿生造型，可以解決上述難題。

其中，杜韜和合作者們提出了快速制作和控制 “海星” 的軟件和硬件實驗平臺。

他們提出的硬件設(shè)以及利用 C++ 和 Python 開發(fā)的機器學(xué)習(xí)算法系統(tǒng)，能在 18 小時內(nèi)完成從制備、到仿真、再到系統(tǒng)識別和軌跡優(yōu)化 “海星” 的全過程。

當(dāng) “海星” 在水箱中進行測試時，相關(guān)實際性能數(shù)據(jù)會反饋到計算機模型中，并可得到進一步優(yōu)化。以這種方式來回移動，能在幾個小時內(nèi)生產(chǎn)出功能性產(chǎn)品。

此外，僅使用單個低功率執(zhí)行器，它就能實現(xiàn)移動，通過四個腿中的肌腱運動，可給其帶來交替擠壓和腿部釋放，從而實現(xiàn)安靜且高效的游動。

“海星” 是本次工作核心算法的硬件平臺，目前它主要由硅膠泡沫（silicone foam）、單個低功率電機、四條腿以及相連的肌腱組成。

“海星”前肢肌腱上連接了一個低功率電機，這些肌腱可以被擠壓和釋放，從而使機器人可以安靜地移動并有效地在水中游動。

制備 “海星” 時，先利用 CAD 設(shè)計軟件 OnShape 設(shè)計 “海星” 身體，隨后制作一個模具，將硅膠泡沫灌注到模具中，定型后即得到 “海星” 身體。

在水中時，硅膠泡沫具備較好的彈性和浮力，使用本次研究中的新算法進行優(yōu)化后，“海星” 在水中的移動速度，比手工調(diào)試的控制器快四倍。

“海星” 每條腿的內(nèi)部有一根高強度魚線，你可能會好奇魚線是如何植入 “海星” 的，具體來說首先要從每條腿的腳尖，朝著舵機方向插入一根中空的導(dǎo)管，導(dǎo)管中放有魚線，將導(dǎo)管抽出后，魚線即可被運輸?shù)?“海星” 體內(nèi)。

進去后，魚線一端固定在 “海星” 腳尖，另一端匯集到 “海星” 背上的舵機。舵機轉(zhuǎn)動時，可以同時收放四根魚線，從而同時收縮或伸直它的四條腿。

“海星” 飛速游動是頭等目標(biāo)

在 “海星” 的固液耦合上，杜韜采用一種經(jīng)驗公式，去建模它和水流之間的耦合，并使用可微仿真的工具，去微調(diào)建模時的參數(shù)。

研究主要目的，是讓 “海星” 游得越快越好。概括來說，該任務(wù)的完成主要分為兩大步驟。

第一步是要對系統(tǒng)有較好的建模，即要了解機器人的基本信息，因此他先后測出機器人的體積、重量、密度和楊氏模量（衡量材料軟硬的單位）的大致范圍，用來對海星進行建模。

圖 | 模型參數(shù)（來源：受訪者）

具體來講，是讓 “海星” 在實驗中執(zhí)行簡單的控制信號，并和水流做一些交互。獲得實驗數(shù)據(jù)后，使用可微仿真工具，讓仿真中的 “海星” 物理模型再去執(zhí)行同樣的控制信號。

通過分別觀察仿真環(huán)境、和實驗環(huán)境中的運動軌跡，本次算法能不斷調(diào)整建模參數(shù)，從而讓物理系統(tǒng)建模更加準(zhǔn)確。

可微仿真工具的好處在于，不僅能正向模擬出“海星”的運動軌跡，也能計算它和真機實驗中軌跡的誤差值，并反向傳導(dǎo)誤差對于機器人參數(shù)的梯度。充分利用這些梯度信息就可以更快速、更高效地調(diào)整建模參數(shù)。

第二步是在建模的基礎(chǔ)上，求解軌跡優(yōu)化來提出新的控制信號。研究到這里，本該按下結(jié)束鍵，但杜韜打算多次迭代，借此形成循環(huán)從而提升模型猜測。

可讓機器人不斷迭代的算法

詳細(xì)來說，他的算法通過改進對模型參數(shù)的估計，可做出新的控制信號，并部署在真機實驗上。此時 “海星” 就能執(zhí)行新的通訊信號，如此便可產(chǎn)出更多數(shù)據(jù)用來進一步改善對于模型的猜測和評估。

他告訴 DeepTech，該研究的重點在于算法，“海星” 只是驗證算法成功與否的工具。相比傳統(tǒng)方法，最精彩的部分在于算法的逐步迭代過程。

首次迭代時，即使使用人工多次調(diào)試后的控制信號，“海星” 拼命游動腿部也只能前進一小段距離，哪怕收集到的數(shù)據(jù)再多、在仿真中把數(shù)據(jù)擬合得再好，也只是擬合了它在低速環(huán)境中的模型。

這在獲得可讓 “海星” 高速運動的模型方面，幾乎沒有任何幫助。因為，“海星” 在低水速和高水速情況下的運動狀態(tài)、以及和水流的交互都不一樣。

而這樣迭代幾次后，“海星” 就能獲得更快的運動方法，這時便可搜集高水速時的數(shù)據(jù)，從而修正模型、讓其具備指揮機器人快速游動的能力。

該研究的痛點在于：相比陸地機器人，由于水流、海水鹽度和浮力等變量，水下機器人更難設(shè)計，復(fù)雜的水運動動力、及其快速 “破壞” 電機系統(tǒng)的威力，導(dǎo)致科學(xué)家們往往需要耗時幾周、甚至更長時間才能制備出水下機器人。

圖 | 相關(guān)數(shù)據(jù)（來源：受訪者）

由于每一次在真機實驗中收集到的數(shù)據(jù)都十分珍貴，工程師們迫切需要好的算法來充分挖掘出這些數(shù)據(jù)里最有價值的信息。

無論在平靜水流、還是起伏波浪中，水下機器人與周圍流體之間的被動相互作用，都比陸地機器人在穩(wěn)定地形上行走要復(fù)雜得多，因此非常難以創(chuàng)建水下機器人的控制系統(tǒng)。

另外柔性機器人往往有成千上萬的自由度，運動上難以被控制。而杜韜研發(fā)的算法，正是該問題的 “克星”。

一言以蔽之，這項工作旨在通過有效仿真和真實實驗的混合循環(huán)，來縮小機器人和現(xiàn)實的差距。

“海星” 未來：星星般閃耀

與剛性機器人相比，“海星” 更安全、更堅固、也更靈活。對于需要在狹窄空間中移動的環(huán)境，“海星” 的彈性，讓它能從碰撞中恢復(fù)。在相關(guān)場景中，更多學(xué)者們也開始轉(zhuǎn)向柔性機器人。

目前，相關(guān)論文已發(fā)表在 IEEE RA-L 期刊上，標(biāo)題為《基于可微仿真的水下柔性機器人建模與控制》Underwater Soft Robot Modeling and Control with Differentiable Simulation。在本周的機器人國際會議 RoboSoft 2021 會議上，杜韜還對“海星”做了線上展示。

談及未來應(yīng)用，杜韜告訴 DeepTech，盡管他們只在海星上展示了他們的迭代算法，他和他的合作者都認(rèn)為這個算法可以被廣泛應(yīng)用在其他機器人的設(shè)計和控制上。

“系統(tǒng)識別和求解控制，是機器人研究中非常關(guān)鍵的步驟，而求解這兩個步驟的過程在不少機器人上都是高度耦合的，” 杜韜表示，“我們期待著今后在更多類型的機器人，比如設(shè)計出混合剛性關(guān)節(jié)和柔性肌肉的新型水下機器人，從而去復(fù)制‘海星’的成功。”

他補充稱，本次之所以選擇海星設(shè)計，是因為其動作簡單而優(yōu)雅，并且通過擠壓和釋放其腿部來實現(xiàn)向前運動。

目前，杜韜是麻省理工學(xué)院（MIT）CSAIL實驗室的博士生。本次研究中，他和同樣來自 CSAIL 的博士后 Josie Hughes 作為共同第一作者，主導(dǎo)了“海星”的軟硬件開發(fā)。

杜韜是江蘇人，本科畢業(yè)于清華大學(xué)軟件學(xué)院，后在斯坦福大學(xué)計算機系獲得碩士學(xué)位。2015 年，他來到 MIT CSAIL 實驗室攻讀博士學(xué)位，并將于今年畢業(yè)，其研究方向包括計算機圖形學(xué)、機器人、機器學(xué)習(xí)等。

業(yè)內(nèi)知名機器人大牛——CSAIL 實驗室主任丹妮拉·羅斯（Daniela Rus）教授，也是該論文的作者，作為世界權(quán)威的機器人專家，羅斯領(lǐng)導(dǎo)了多項柔性機器人和水下機器人的著名研究。

對于本次研究她表示，相比傳統(tǒng)剛性機器人，在和人交互時柔性機器人更安全，在復(fù)雜的未知環(huán)境中，后者也更加健壯和靈活。而本次“海星”機器人和海洋生物共處時不會驚擾到它們，如此便可在探測海洋的同時，保護好海洋精靈們。

未來，通過利用更快速的設(shè)計和控制算法，他們將設(shè)計更多樣的仿生柔性機器魚，來作為觀測站去近距離觀察海洋生物。

原文標(biāo)題：江蘇90后科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)“海星”機器人，有望用于海底探測！由MIT CSAIL出品，數(shù)小時內(nèi)完成制備 | 專訪

文章出處：【微信公眾號：DeepTech深科技】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq