艾德思：Nature封面刊登了一篇重磅研究成果仿细胞集群机器人系统



Nature封面刊登了一篇重磅研究成果——仿细胞集群机器人系统,实现了集群机器人的自主控制,这成为工程学领域一项重大突破!该机器人系统可以在各个部件机器人随机运动的情况下导致确定性的行为,这一切就像在生命系统中发生的那样.该文章一作为中国籍年轻博士.

该文章作者,中国籍年轻博士李曙光本科毕业于西安的西北工业大学,获得机械与航空航天工程学士学位,目前在哈佛大学任博士后研究员.

集群机器人很早就出现在了大众的视野中,但是其规模下的可控制性一直令研究人员头疼.

在生物系统中,不乏通过随机移动的小规模组件的集体耦合和协调以实现大规模行为的例子.

癌细胞的扩散就是典型的一例,在这篇文章中,李曙光博士发布的成果表明,随机性为开发具有强大确定性行为的大规模集体机器人系统提供了一种有效的途径.

考虑到系统在自由度/稳定性等方面的复杂性,研究人员采用了一种替代性的方案将这些约束降到最低,这就是咱们的粒子机器人.

每个粒子机器人包含了许多圆盘形结构.为了简单,每个粒子只有一个自由度,只能沿着径向膨胀和收缩.

每个粒子的边缘都有类似小钩的结构,这样在粒子收缩时就能将相邻的粒子拉起来,膨胀时将相邻的粒子放开,这样就可以自发地破坏和重建连接,形成松散而又相关的结构,就像人体细胞既可以移动,又不会使得整个人垮掉.

为了使得这些粒子机器人随机化,研究人员赋予了它们一项特权,每个粒子可以主动响应其本地环境并通过非特定通信的方法对其它粒子进行广播,换言之它们获得了自治权.

这样一来,对于一个粒子而言,它是什么都干不了的,只能在原地开合,只有一群粒子才有机会搞事情.

怎样搞事情呢?这就很讲究了,突破口就是各个粒子振荡的相位差,简单的说,就是各个粒子张合的先后顺序,我们先拿出三个粒子来分析一下:

每个小圆就是一个粒子,圆内的数字就是粒子振荡的时间

第0S时,只有白色的圆张开了,由于绿色和黑色都没动,这样产生的摩擦力就大于白色的圆产生的摩擦力,这样白色的圆就只能被挤到前面.

第时,绿色的圆也动起来了,由于白色的圆在向前移动,所以白色一侧的阻力要小于黑色一侧,这样绿色的球和白色的球就一起跑掉了.

最后在白色圆和绿色圆的合力下就把黑色的圆也向前拉走了,长江前浪拉后浪(实际的情况更为复杂).

这样一来,三个粒子就产生了确定的运动——向前,但我们却没有特别的操控任意一个粒子,这样单个粒子随机的运动就产生整体确定的运动,要是千千万万的粒子一起这样随机的动起来,就会呈现更为复杂的运动情况.

受到生物学细胞集群迁移现象的启发,研究人员开发了一个简单的分布式算法,该算法规定每个粒子的相位偏移与其感测的信号强度成比例.

这样研究人员实现了通过外部刺激引导自主运动,像极了一些昆虫的趋光性.

在这一系列的成果中,粒子机器人集群体现了较好的鲁棒性,整体表现得很稳定,在有障碍的场合也体现了其避障的能力,这都表明了随机的大规模的鲁棒性非定形机器人系统可以产生确定的行为,可由此设计出更为复杂且要求更为严格的机器人.

这为微米和纳米级机器人领域的发展提供了新的选择.这种将机器人作为统计机器而不是确定机器的观点,为控制更大规模的机器集群提供了新的思路.

想象一下,未来的某一天,一群自主纳米级机器人以癌细胞为刺激源,气势汹汹的将这些癌细胞杀死的场景.

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