斷腿也能跑！97小伙研發(fā)樂高式機(jī)器人，斷臂秒變?nèi)_怪獸繼續(xù)狂奔

近日，美國(guó)西北大學(xué)博士生余琛和所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種全新的模塊化機(jī)器人，由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的智能腿模塊組成，每個(gè)模塊都自帶電池、芯片、傳感器和電機(jī)，單個(gè)模塊就能跳躍、翻滾和轉(zhuǎn)彎。

他告訴 DeepTeh，這些模塊可以像樂高積木一樣自由組合，拼出三條腿、四條腿甚至五條“腿”的機(jī)器人，而且它們能在草地、沙地、碎石路等復(fù)雜戶外環(huán)境里敏捷奔跑，還能在翻倒之后自己翻身，甚至能在被砍掉多條腿的情況下繼續(xù)前進(jìn)。

研究團(tuán)隊(duì)所打造的通用策略面對(duì)從未見過的損傷場(chǎng)景，比如隨機(jī)切掉一條腿或者隨機(jī)切掉兩條后退，甚至只剩下一個(gè)孤零零的模塊，都能迅速適應(yīng)并繼續(xù)移動(dòng)。

在物理機(jī)器人上，這個(gè)通用策略在未受損時(shí)的移動(dòng)速度達(dá)到了原專家策略的 105.3%。在各種被截肢的情況下，它的表現(xiàn)也遠(yuǎn)優(yōu)于原測(cè)量。

在災(zāi)難救援中，這些機(jī)器人可以深入廢墟，即使部分肢體被砸斷或被卡住，剩下的模塊也能重組策略繼續(xù)前進(jìn)。

在太空探索中，模塊可以被打包發(fā)射，到了火星再組合成為各種形態(tài)的機(jī)器人，以便能夠執(zhí)行不同的任務(wù)。

（來源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

軍事偵察中，機(jī)器人的容錯(cuò)性意味著更高的生存率。

它也為研究生物運(yùn)動(dòng)提供了新工具，人們可以使用這些模塊快速搭建各種形態(tài)的機(jī)器人，觀察不同身體結(jié)構(gòu)對(duì)于運(yùn)動(dòng)能力的影響，反過來用于理解動(dòng)物形態(tài)的演化邏輯。

圖 | 余琛（來源：受訪者）

事實(shí)上，這款機(jī)器人的每個(gè)模塊的尺寸并不算小，完全伸展時(shí)有 62 厘米長(zhǎng)。它的核心是一個(gè)球形關(guān)節(jié)，里面集成了電池、定制的電路板、傳感器和一個(gè)高扭矩電機(jī)。兩條對(duì)稱的腿連接在關(guān)節(jié)上，可以 360 度旋轉(zhuǎn)。

模塊的外表面分布著 18 個(gè)蜂窩狀的接口，兩個(gè)模塊之間可以使用螺絲和螺母在 435 種不同的位點(diǎn)上牢固連接。三個(gè)模塊的組合方式就能達(dá)到數(shù)十萬種，五個(gè)模塊的組合方式更是達(dá)到數(shù)千億種。

（來源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

僅僅是單個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)能力就讓人眼前一亮。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，模塊可以通過動(dòng)態(tài)完全雙腿實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)前進(jìn)，速度達(dá)到每秒 0.46 米，功耗只有 0.38 瓦。

它還能原地轉(zhuǎn)彎，速度是每秒 55 度。更驚艷的是，它能夠跳起 37 厘米高，這相當(dāng)于自身腿長(zhǎng)的 1.54 倍，而且從靜止到起跳，整個(gè)過程干脆利落。

（來源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

研究團(tuán)隊(duì)使用變分自編碼器將數(shù)千億種可能的身體構(gòu)型壓縮到一個(gè) 8 維的潛在設(shè)計(jì)空間里。然后，他們使用異步貝葉斯優(yōu)化在這個(gè)空間里進(jìn)行搜索，同時(shí)使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)為每個(gè)候選設(shè)計(jì)從頭訓(xùn)練控制策略。

經(jīng)過評(píng)估之后，他們選出了性能排名前幾的設(shè)計(jì)方案，其中包括一個(gè)三模塊構(gòu)型、一個(gè)四模塊構(gòu)型和一個(gè)五模塊構(gòu)型。另外，他們還手工設(shè)計(jì)了一個(gè)五模塊的四足構(gòu)型，其中一個(gè)模塊充當(dāng)了可以活動(dòng)的脊柱。

無論是在仿真環(huán)境還是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境，這些構(gòu)型都展現(xiàn)出了獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)風(fēng)格。三模塊構(gòu)型的步態(tài)像海豹一樣笨拙可愛，依靠前后擺動(dòng)身體來移動(dòng)。四模塊構(gòu)型采用了一種三足步態(tài)，單條前腿和兩條后腿交替著地。五模塊構(gòu)型使用多條腿組合成為更復(fù)雜的肢體來推動(dòng)身體。

（來源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

手工設(shè)計(jì)的四足構(gòu)型則模仿了蜥蜴，其脊柱左右擺動(dòng)，以此來帶動(dòng)四肢爬行。所有構(gòu)型都學(xué)會(huì)了兩個(gè)新技能：一是在空中跳躍并旋轉(zhuǎn)身體，二是在翻倒后迅速翻身恢復(fù)姿態(tài)。這些行為完全依賴模塊內(nèi)部的感知，比如關(guān)節(jié)角度和慣性測(cè)量，沒有使用外部動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)。

模塊化設(shè)計(jì)帶來了較好的容錯(cuò)性。傳統(tǒng)的四足機(jī)器人如果斷了一條腿，基本就廢了。但是，這些模塊化機(jī)器人不一樣，它上面的每個(gè)模塊都是一個(gè)完整的智能體。研究團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練了一個(gè)對(duì)截肢無感的統(tǒng)一控制策略。

這個(gè)策略通過模仿多個(gè)專家策略產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)，其中每個(gè)專家策略對(duì)應(yīng)一種特定的損傷模式，比如斷一條腿、斷兩條腿，或者只剩下單個(gè)模塊，這樣一來無論出現(xiàn)何種截肢情況，機(jī)器人都能快速適應(yīng)新的身體結(jié)構(gòu)并繼續(xù)前行。

據(jù)了解，余琛本科畢業(yè)于電子科技大學(xué)，碩士畢業(yè)于上海科技大學(xué)，目前在美國(guó)西北大學(xué)讀博。在做這個(gè)項(xiàng)目之前，他主要研究四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，還曾在小米實(shí)習(xí)參加過該公司機(jī)器狗的控制開發(fā)。

這段經(jīng)歷讓他意識(shí)到，傳統(tǒng)的四足機(jī)器人雖然跑得快，但是身體結(jié)構(gòu)是固定的，一旦某個(gè)關(guān)節(jié)或電機(jī)壞掉，整個(gè)機(jī)器就廢了。模塊化機(jī)器人雖然可以自由組合，但此前的模塊化機(jī)器人都跑得很慢，基本只存在于論文里，沒法走出實(shí)驗(yàn)室。

余琛的想法就是把這兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，使用四足機(jī)器人成熟的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)來驅(qū)動(dòng)模塊化機(jī)器人，讓它既敏捷又耐用。

而本次研究最大的困難在于一切都是從頭搭建的。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室會(huì)直接購買現(xiàn)成的硬件，但是他們的模塊從電機(jī)到電路板都是自己設(shè)計(jì)的，在美國(guó)訂購中國(guó)的電機(jī)需要等兩周，定制 PCB 需要等更久。仿真機(jī)和真機(jī)之間的差距也得一點(diǎn)一點(diǎn)手動(dòng)調(diào)試，這些工程上的坑花了他大量時(shí)間。但最終研究順利完成，相關(guān)論文發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。

（來源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

目前，這些模塊還需要手動(dòng)組裝。不過，它已經(jīng)證明了這樣一件事，那就是敏捷運(yùn)動(dòng)和模塊化重構(gòu)是可以兼得的。當(dāng)一個(gè)機(jī)器人由許多擁有自主能力的小機(jī)器人組成時(shí)，它就擁有了前所未有的韌性。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1073/pnas.2519129123

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍