粒子机器人可以运输放置在其中间的物体

2019-07-05 16:47:14

麻省理工学院,哥伦比亚大学和其他地方的研究人员从生物细胞中获得启发,开发出计算简单的机器人,这些机器人可以连接大群体来移动,运输物体和完成其他任务。

这个所谓的“粒子机器人”系统 - 基于麻省理工学院,哥伦比亚工程学院,康奈尔大学和哈佛大学研究人员的项目 - 包括许多单独的盘形单元,研究人员将其称为“粒子”。粒子通过松散连接围绕着他们周边的磁铁,每个单位只能做两件事:扩张和收缩。(每个粒子在收缩状态下约为6英寸,在伸展时约为9英寸。)当仔细定时时,该运动允许单个粒子以协调运动的方式相互推拉。板载传感器使群集能够吸引光源。

在一篇 Nature 论文中,研究人员演示了一组由二十几个真实机器人粒子组成的虚拟模拟,以及一个通过障碍物向灯泡移动的多达100,000个粒子的虚拟模拟。他们还表明,粒子机器人可以运输放置在其中间的物体。

粒子机器人可以形成许多配置,并在障碍物周围流畅地导航并挤过紧密的间隙。值得注意的是,没有一个粒子直接与彼此通信或相互依赖以起作用,因此可以添加或减少粒子而不会对组产生任何影响。在他们的论文中,研究人员表明,即使许多单位发生故障,粒子机器人系统也能完成任务。

本文提出了一种思考机器人的新方法,这种机器人传统上是为一个目的而设计的,包含许多复杂的部件,并在任何部件出现故障时停止工作。研究人员表示,由这些简单组件组成的机器人可以实现更具可扩展性,灵活性和强大的系统。

“我们拥有的小型机器人单元不像个人那么强大,但可以作为一个团队完成很多工作,”计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)主任Daniela Rus和Andrew and Erna Viterbi电气工程教授说。计算机科学。“机器人本身是静态的,但当它与其他机器人粒子连接时,机器人集体可以突然探索世界并控制更复杂的行动。利用这些“通用细胞”,机器人粒子可以实现不同的形状,全局变换,全局运动,全局行为,并且正如我们在实验中所示,遵循光的梯度。这非常强大。“

加入罗斯的论文是:第一作者李曙光,CSAIL博士后; 共同第一作者Richa Batra和相应的作者Hod Lipson,哥伦比亚工程学院; Cornell的David Brown,Hyun-Dong Chang和Nikhil Ranganathan; 和哈佛的查克霍伯曼。

在麻省理工学院,Rus已经开发了近20年的模块化连接机器人,包括一个可以连接到其他人来移动的扩展和收缩立方体机器人。但方形限制了机器人的群体运动和配置。

在Lipson实验室的合作下,李在2014年进入麻省理工学院之前是博士后,研究人员采用了可以相互旋转的圆盘形机构。它们还可以相互连接和断开,并形成许多配置。

粒子机器人的每个单元都有一个圆柱形底座,里面装有一个电池,一个小电机,检测光强度的传感器,一个微控制器,以及一个发出和接收信号的通信元件。安装在顶部的儿童玩具叫做霍伯曼飞行环 - 它的发明者是该论文的共同作者之一 - 它由连接成圆形结构的小面板组成,可以拉伸展开并推回合同。每个面板上安装两个小磁铁。

诀窍在于编程机器人粒子以精确的顺​​序扩展和收缩,以将整个组推向并拉向目标光源。为此,研究人员为每个粒子配备了一种算法,该算法可以分析来自其他每个粒子的光强度的广播信息,而无需直接的粒子到粒子的通信。

粒子的传感器检测来自光源的光的强度; 粒子离光源越近,强度越大。每个粒子不断地广播与所有其他粒子共享其感知强度水平的信号。假设一个粒子机器人系统测量1到10级的光强度:最接近光的粒子注册10级,最远的粒子注册1级。反过来,强度级别对应于粒子必须的特定时间。扩大。经历最高强度的粒子 - 级别10 - 首先扩展。随着这些粒子收缩,下一个粒子按顺序排列,然后扩展。该定时扩展和收缩动议发生在每个后续级别。

“这会形成一个机械膨胀 - 收缩波,一个协调的推动和拖动运动,使一个大的集群朝向或远离环境刺激,”李说。Li补充说,关键部件是粒子间共享同步时钟的精确定时,能够尽可能高效地进行移动:“如果弄乱同步时钟,系统的工作效率就会降低。”

在视频中,研究人员演示了一个粒子机器人系统,包括真实粒子移动和改变方向朝向不同的灯泡,当它们被轻弹,并通过障碍物之间的间隙。在他们的论文中,研究人员还表明,模拟的多达10,000个粒子的团簇保持运动,速度只有其一半,甚至高达20%的单位失败。

“它有点像众所周知的'灰色粘性',”哥伦比亚工程公司机械工程教授利普森说,他参考了包含数十亿纳米机器人的自我复制机器人的科幻概念。“这里的关键新颖之处在于,你有一种新的机器人,它没有集中控制,没有单点故障,没有固定的形状,而且它的组件没有独特的身份。