時(shí)值午后，我實(shí)驗(yàn)室里的一位研究生第一次將我們的機(jī)器人投入水中。我緊張地看著我們的電子作品沉入海浪之下。機(jī)器人沒(méi)有令我們失望：我們發(fā)出游泳的命令后，它用水充滿其可擴(kuò)張的外罩，然后向外噴水前行；我們命令它緩行時(shí)，它用力地依次活動(dòng)8肢，推動(dòng)自己沿著底部的泥沙和散落的暗礁行進(jìn)；我們指示它探索碼頭下面的狹窄空間時(shí)，它輕而易舉地將柔軟的身軀伸進(jìn)狹窄的縫隙。
作為意大利比薩圣安娜高等學(xué)校仿生機(jī)器人研究所的教授，我?guī)ьI(lǐng)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)研究軟體機(jī)器人。我選擇構(gòu)建仿生章魚機(jī)器人有兩個(gè)原因。首先，章魚機(jī)器人非常適合展示隨需彎曲和擠壓能力的優(yōu)勢(shì)。此外，這也是一個(gè)非常好的工程挑戰(zhàn)：一個(gè)章魚機(jī)器人有8個(gè)搖擺肢，它們必須協(xié)同面對(duì)水中各種復(fù)雜的力，這一點(diǎn)很難設(shè)計(jì)和控制。
在研究過(guò)程中，我們的團(tuán)隊(duì)希望從根本上反思機(jī)器人理論和技術(shù)。更關(guān)鍵的是，我們?cè)噲D發(fā)展機(jī)器人操作的新策略，使機(jī)器人可以在任何方向隨意卷曲肢體，這是難以控制的。為了解決這些難題，我們從自然界中的生物——章魚身上獲取靈感。
長(zhǎng)久以來(lái)，機(jī)器人主要用于工廠，其剛性肢體適合執(zhí)行手頭的重復(fù)性任務(wù)并滿足所需的精確度。然而，機(jī)器人專家現(xiàn)在想將他們的創(chuàng)造物用于傳統(tǒng)機(jī)器人難以處理的、更難預(yù)測(cè)的環(huán)境。還有一些研究人員正集中精力研究不會(huì)傷害他人的軟體機(jī)器人。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，機(jī)器人研究人員不斷研究各種動(dòng)物。這就是為什么我協(xié)助啟動(dòng)了章魚集成項(xiàng)目。歐洲和以色列幾所大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室自2009年開(kāi)始就該項(xiàng)目展開(kāi)合作。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的一些成員先前曾參與過(guò)將“章魚肢體”置于坦克式機(jī)器人上的項(xiàng)目，現(xiàn)在他們熱切地加入到模仿章魚其他卓越能力的新任務(wù)當(dāng)中。當(dāng)然，我們知道這并不容易。
章魚沒(méi)有內(nèi)外部骨骼，8肢可以隨意彎曲、伸長(zhǎng)、縮短和用力。它可以靈活地卷曲肢體勾住目標(biāo)進(jìn)行任意動(dòng)作，章魚要依靠這種靈巧性才能在野外生存。
我們首先研究了章魚肢體的肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能在保持肢體總體積不變的同時(shí)，使個(gè)別肌肉收縮并改變形狀。為了將生物學(xué)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為工程學(xué)研究，我們與海洋生物學(xué)家合作測(cè)量了章魚肢體，并制作出能夠?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)提供信息的計(jì)算機(jī)模型。然后我們開(kāi)始實(shí)驗(yàn)如何制作出可以模仿章魚肌肉的軟執(zhí)行器。
一種方法是使用電活性聚合物（EAP）這種材料來(lái)制造人造肌肉。兩個(gè)電極像三明治那樣將軟材料層夾在中間；施加電壓時(shí)，EAP充當(dāng)電容器，電極向中間靠攏，擠壓它們之間的軟材料。利用這種現(xiàn)象，研究人員已經(jīng)制造出可以堆疊并產(chǎn)生明顯力量的收縮單元。另一個(gè)可能方法是使用流體執(zhí)行器建造機(jī)械肢體，將液體或氣體注入軟體腔以改變更大結(jié)構(gòu)的形狀。還有一個(gè)有趣的方法是用顆粒物取代流體作為軟體腔的填充物。有了這種“塞入”技術(shù)，軟體機(jī)器人在常態(tài)下將保持柔軟，而內(nèi)部真空時(shí)則會(huì)形成堅(jiān)硬的形狀，就像雜貨店貨架上的真空包裝咖啡磚一樣。按照設(shè)定的順序使各部分內(nèi)部真空，研究人員可以讓軟體機(jī)器人以特定的方式變硬并移動(dòng)。
我的團(tuán)隊(duì)最感興趣的方法是使用形狀記憶合金（SMA）這種材料來(lái)制作人工肌肉。加熱時(shí)，SMA變形到預(yù)定形狀并“記住”。我們將SMA線做成彈簧狀，通電使其加熱，彈簧就會(huì)模仿肌肉進(jìn)行收縮。我們針對(duì)章魚集成項(xiàng)目構(gòu)造了一個(gè)原型肢體，用SMA彈簧作為章魚肢體內(nèi)的縱向和橫向肌肉。通過(guò)給不同組的彈簧通電，原型肢體可以在多個(gè)不同點(diǎn)彎曲、縮短和伸長(zhǎng)，甚至可以抓取東西。
我們的工作主要是展示軟體機(jī)器人的潛力，在章魚機(jī)器人實(shí)際走出實(shí)驗(yàn)室之前還有很多工作要做。舉例而言，肢體帶有傳感器的機(jī)器人可以反饋其位置和觸碰物，這將有助于我們制定更好的控制策略。想想有著靈巧8肢的高級(jí)章魚機(jī)器人如何在野外活動(dòng)，多么有趣啊。機(jī)器人專家除了對(duì)章魚的肢體和肌肉感興趣，還看重章魚的特殊智力水平。可令人驚訝的是，章魚竟然可以控制8個(gè)獨(dú)立的肢體進(jìn)行大范圍的活動(dòng)。因此，章魚集成項(xiàng)目的下一個(gè)挑戰(zhàn)就是研究章魚的控制機(jī)制，尋找可以管理柔性機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的方法。
生物學(xué)家已經(jīng)明確，章魚的大腦并不會(huì)針對(duì)扭曲的8肢的每一個(gè)小動(dòng)作發(fā)出自上而下的命令。就普通章魚而言，其大腦所包含的神經(jīng)元數(shù)目，比周圍神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)元數(shù)量少得多。生物學(xué)家認(rèn)為，大腦負(fù)責(zé)啟動(dòng)動(dòng)作，而較低的運(yùn)動(dòng)中心控制更精細(xì)的神經(jīng)肌肉活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，即使把章魚的大腦神經(jīng)切斷，它的肢體仍會(huì)在刺激下收縮并伸出去，好像要抓住某物。
我們還有更有趣的發(fā)現(xiàn)：章魚的肢體不需要全面的方向認(rèn)知來(lái)進(jìn)行所需的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，它們的身體能夠以自主并有效的特定方式對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)。這個(gè)概念通常被機(jī)器人專家稱為形態(tài)計(jì)算，而人工智能研究人員則稱之為具身智能。套用到機(jī)器人世界時(shí)，這個(gè)原理意味著，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人可以憑借身體的物理特性自動(dòng)進(jìn)行所需的運(yùn)動(dòng)。有了這個(gè)策略，極其簡(jiǎn)單的命令就能夠使機(jī)器人高效地執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。
我的團(tuán)隊(duì)第一次著手制作可以沿著海底爬行的機(jī)器人章魚時(shí)，就時(shí)刻銘記這個(gè)原則。我們研究了真實(shí)章魚的運(yùn)動(dòng)策略，并確定了它的爬行4步驟。首先，章魚的一個(gè)后肢觸到底部；然后該肢伸長(zhǎng)，推動(dòng)身體的其余部分前進(jìn)；隨后它收起吸盤，使該肢與海底分離；最后，該肢蜷縮到靠近身體的部位，并準(zhǔn)備下一個(gè)前推動(dòng)作。章魚用兩肢以優(yōu)美的順序執(zhí)行這些動(dòng)作，像波浪一樣起伏前進(jìn)。
為了模擬這種運(yùn)動(dòng)形式，我們的章魚機(jī)器人似乎需要進(jìn)行大量的計(jì)算，以控制其8肢，使每肢都可以在任意點(diǎn)彎曲。由于我們的機(jī)械肢體自由度太多，難以應(yīng)用一般的控制策略。我們決定遵循進(jìn)化的原則，嘗試制作不需要復(fù)雜控制輸入的機(jī)械肢體。在這之前，我們制定了數(shù)學(xué)模型以全面測(cè)試機(jī)械肢體的各種設(shè)計(jì)，包括所用材料的密度、硬度、形狀以及人工肌肉的內(nèi)部布局等。所有這些參數(shù)都需要在水下進(jìn)行性能檢測(cè)。在不同鹽度和溫度的水中，機(jī)械肢體的表現(xiàn)如何？深度和壓力的增加對(duì)機(jī)械肢體有什么影響？電流和湍流對(duì)機(jī)械肢體的活動(dòng)有什么影響？為了回答這些問(wèn)題，我們?cè)谀Ｐ椭性黾恿肆黧w動(dòng)力學(xué)要素。我們還必須考慮機(jī)器人所爬行表面的紋理和結(jié)構(gòu)。為避免設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，我們決定放棄使用吸盤，取而代之的是在機(jī)器人外部使用可產(chǎn)生較大摩擦力的材料。
要為模型中所有這些參數(shù)找到最佳組合，如果通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)計(jì)算，任務(wù)會(huì)過(guò)于復(fù)雜，因此我們使用一種進(jìn)化算法在較大范圍內(nèi)尋找可能解。該算法從創(chuàng)建各種假設(shè)的章魚體形開(kāi)始，然后測(cè)試哪種章魚肢體的表現(xiàn)最好，進(jìn)而使用“最適合的”肢體屬性來(lái)探尋新一輪的可能解。通過(guò)這種方式，我們確定了可以產(chǎn)生恰當(dāng)推進(jìn)力量并執(zhí)行所需爬行動(dòng)作的組合模式。
事實(shí)證明，控制章魚機(jī)器人并不難，可以模仿我們?cè)谡卖~身上所觀察到的爬行4步驟。我們旨在通過(guò)這個(gè)原型展示控制機(jī)制，而不是材料，為此我們替換了SMA，使用電纜作為人工肌肉。每個(gè)硅橡膠肢體都包含一條可以延長(zhǎng)或縮短機(jī)械肢體的鋼纜，以及一根用于彎曲機(jī)械肢體以實(shí)現(xiàn)附著和分離步驟的碳纖維電纜。每個(gè)機(jī)械肢體中有一個(gè)簡(jiǎn)單的伺服電機(jī)提供電力。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了大量復(fù)雜計(jì)算。但當(dāng)機(jī)器人行動(dòng)時(shí)，我們可以自豪地說(shuō)，它非常“傻”：它只有一個(gè)簡(jiǎn)單的“大腦”，通過(guò)正確的順序啟動(dòng)機(jī)械肢體，使章魚機(jī)器人憑借其自身的機(jī)械性能爬行。我們的章魚機(jī)器人展現(xiàn)了形態(tài)計(jì)算的有效性。
我的團(tuán)隊(duì)于2012年啟動(dòng)了一個(gè)名為PoseiDrone的相關(guān)項(xiàng)目。我們的目標(biāo)是制造出一個(gè)軟體水下機(jī)器人，它不僅可以爬行和抓住物體，而且可以游泳。為了賦予機(jī)器人游泳的本領(lǐng)，我們?cè)俅问褂昧诵螒B(tài)計(jì)算。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是章魚機(jī)器人的外罩，也就是章魚的頭狀部分。這一部分可在充滿水時(shí)膨脹，然后收縮，噴射水并產(chǎn)生推進(jìn)力。我們又一次使用計(jì)算機(jī)模型確定硅樹脂罩的尺寸、形狀和材料性質(zhì)，尤其是結(jié)構(gòu)在噴射水時(shí)變形的方式。我們的算法產(chǎn)生了最佳組合，只需要一個(gè)小電機(jī)和幾條簡(jiǎn)單的線纜就可以使章魚機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水中的噴射推進(jìn)。
我們研究了PoseiDrone原型執(zhí)行各種任務(wù)的能力，例如邊爬行邊拖動(dòng)物體，并在游泳時(shí)通過(guò)噴射一股股水流推動(dòng)自己前進(jìn)。這個(gè)原型就是上文我們投進(jìn)地中海的機(jī)器人，目的是測(cè)試它在廣闊的戶外表現(xiàn)如何。我們很高興地目睹機(jī)器人在不可預(yù)測(cè)的表面、波浪和電流間從容應(yīng)對(duì)。
作者：Cecilia Laschi
