康奈爾大學(xué)正在實(shí)現(xiàn)讓微型機(jī)器人像昆蟲一樣行動(dòng)和思考

[據(jù)《科學(xué)日?qǐng)?bào)》網(wǎng)站12月14日?qǐng)?bào)道]雖然工程師們已經(jīng)成功地研發(fā)出了微型類昆蟲機(jī)器人，但如何使其像真正的昆蟲那樣自主行動(dòng)依舊面臨技術(shù)上的挑戰(zhàn)。來自康奈爾大學(xué)的一組工程師最近正在嘗試使用一種新型的編程方法來模擬昆蟲大腦的運(yùn)作方式，也許不久之后人們就會(huì)開始懷疑墻上蒼蠅是否是真正的蒼蠅。
哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造的RoboBees機(jī)器人只有3厘米的翼展和80毫克的重量。康奈爾大學(xué)的工程師們正在研發(fā)一種新的編程方法使這些機(jī)器人在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)能夠變得更加自主和更具適應(yīng)性。
在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，要使這種機(jī)器人能夠使用嵌入在其翅膀上的毛發(fā)狀的微型金屬探針來感知陣風(fēng)從而相應(yīng)地調(diào)整其飛行姿態(tài)，要使這種機(jī)器人在嘗試降落在一朵在風(fēng)中搖曳的花上的時(shí)候能夠規(guī)劃出相應(yīng)的飛行路線，完成這些任務(wù)所需的計(jì)算處理資源需要在其背上攜帶一個(gè)臺(tái)式機(jī)大小的計(jì)算機(jī)，這顯然是不可能的。機(jī)械和航天工程教授，智能系統(tǒng)和控制實(shí)驗(yàn)室主任西爾維婭法拉利（Silvia Ferrari）認(rèn)為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)芯片的出現(xiàn)是減小機(jī)器人負(fù)載的一種有效方法。
不同于處理只由0和1組合而成的二進(jìn)制代碼的傳統(tǒng)芯片，神經(jīng)形態(tài)芯片處理的是復(fù)雜組合中觸發(fā)的電流尖峰，類似于大腦中產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)。法拉利主任的實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)一種新型的“基于事件”的感知和控制算法，這種算法可以用來模擬神經(jīng)活動(dòng)并且可以在神經(jīng)形態(tài)芯片上得以實(shí)現(xiàn)。由于這種芯片的功耗相較傳統(tǒng)處理器大幅減小，這使得工程師可以將更多的計(jì)算資源集成在同樣的有效載荷中。
法拉利主任的實(shí)驗(yàn)室已與哈佛微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室展開了相關(guān)合作，他們研發(fā)出一種配備光流和運(yùn)動(dòng)感知能力且僅有80毫克的飛行機(jī)器人RoboBee。盡管這款機(jī)器人當(dāng)前仍通過有線的方式與電源相連，但哈佛的研究人員正在研發(fā)新的電源來擺脫這一限制。康奈爾大學(xué)研發(fā)的算法則有助于在不過多增加重量的前提下，使RoboBee機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境中有更好的自主性和適應(yīng)性。
法拉利表示：“當(dāng)受到陣風(fēng)或者一扇旋轉(zhuǎn)的門的沖擊時(shí)，這種微型飛行機(jī)器人便會(huì)失去控制。我們正在研發(fā)傳感器和相關(guān)算法來使得RoboBee能夠避免撞擊，或者即使受到撞擊，仍然能夠幸存并繼續(xù)飛行。我們并不指望這種機(jī)器人的早期型號(hào)來完成這些工作，但我們需要研發(fā)能夠適應(yīng)任何情況的學(xué)習(xí)控制器。”
為了加速“基于事件”的算法的研發(fā)，法拉利主任的實(shí)驗(yàn)室的博士生泰勒克勞森設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬模擬器。這個(gè)基于物理實(shí)際的模擬器可以模擬RoboBee機(jī)器人和它在每次翅膀行程中所承受的非定常氣動(dòng)力。因此，這個(gè)模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)RoboBee機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的飛行運(yùn)動(dòng)。
克勞森表示：“這種仿真技術(shù)既可以用來測(cè)試算法，也可以用來設(shè)計(jì)算法”。他協(xié)助成功研發(fā)了一種基于生物啟發(fā)式編程的可以像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣運(yùn)轉(zhuǎn)的自主飛行控制器。他還表示：“這種網(wǎng)絡(luò)能夠使機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)從而應(yīng)對(duì)在制造過程中引入的不確定性，而這些不確定性會(huì)對(duì)機(jī)器人的操控帶來巨大的挑戰(zhàn)。”
除了具有更大的自主性和彈性以外，法拉利說她的實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃在RoboBee上裝備新的微型設(shè)備，比如微型相機(jī)、觸覺反饋拓展天線，機(jī)器人腳上的接觸傳感器以及毛發(fā)狀的氣流感知器等。
法拉利表示：“我們將RoboBee作為基準(zhǔn)機(jī)器人，因?yàn)樗哂刑魬?zhàn)性了，此外我們認(rèn)為其他不受限的機(jī)器人可以從這一進(jìn)展中受益匪淺，因?yàn)樗鼈兺瑯用媾R功率方面的限制。”
一個(gè)已經(jīng)獲益的機(jī)器人是哈佛步行微型機(jī)器人（Harvard Ambulatory Microrobot），這是一款長(zhǎng)度僅為17毫米，重量不足3克的四足機(jī)器人，它的奔跑速度可以達(dá)到驚人的每秒44米。法拉利主任的實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)“基于事件”的算法，這將有助于進(jìn)一步提升機(jī)器人的速度。
法拉利正在使用海軍研究局提供的4年100萬美元的經(jīng)費(fèi)來繼續(xù)這項(xiàng)研究工作。與此同時(shí)，她還與諸多大學(xué)神經(jīng)形態(tài)芯片和傳感器領(lǐng)域的先進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)開展合作。（航空工業(yè)發(fā)展研究中心 杜子亮）