康奈爾大學(xué)正在實(shí)現(xiàn)讓微型機(jī)器人像昆蟲(chóng)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(lèi)昆蟲(chóng)機(jī)器人，但如何使其像真正的昆蟲(chóng)那樣自主行動(dòng)依舊面臨技術(shù)上的挑戰(zhàn)。來(lái)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(lái)模擬昆蟲(chóng)大腦的運(yùn)作方式，也許不久之后人們就會(huì)開(kāi)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?？的螤柎髮W(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(lái)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(lèi)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(lái)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(kāi)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(guò)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(lái)擺脫這一限制?？的螤柎髮W(xué)研發(fā)的算法則有助于在不過(guò)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(mén)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(lái)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(lái)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(lái)測(cè)試算法，也可以用來(lái)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(guò)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(lái)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(shuō)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(jué)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(wàn)美元的經(jīng)費(fèi)來(lái)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(kāi)展合作。（航空工業(yè)發(fā)展研究中心 杜子亮）