原文起源：www.liebertpub.com

作者：Rieffel John、 Mouret Jean-Baptiste

「雷克世界」編譯：嗯~是阿童木呀、EVA

導(dǎo)語：在天然界中，有些生物體具有優(yōu)越的柔嫩性和彈性，緣由是它們可以或許將軟組織和堅(jiān)固的骨骼環(huán)繞糾纏在一路。而假如將這類靈巧性于彈性付與機(jī)械人，可否處理傳統(tǒng)剛性機(jī)械人的局限性？比來，迷信家們提出了一種易于拆卸的基于張拉全體（tensegrity）的軟體機(jī)械人，它具有高度靜態(tài)的活動(dòng)步態(tài)，并在面臨物理毀傷的情形下表示出構(gòu)造和行動(dòng)的彈性。

生物體將柔嫩的（例如，肌肉）和堅(jiān)固的（如骨骼）資料環(huán)繞糾纏在一路，付與它們在傳統(tǒng)剛性機(jī)械人（rigid robot）中平日缺少的那種固有的靈巧性和彈性。軟體機(jī)械人的新興范疇追求應(yīng)用這些雷同的特征來發(fā)明具有彈性的機(jī)械。但是，軟資料的性質(zhì)給設(shè)計(jì)、建造和掌握方面都帶來了相當(dāng)年夜的挑釁——直到如今，軟體機(jī)械人的絕年夜多半步態(tài)都是經(jīng)由過程試驗(yàn)的試錯(cuò)法（trial-and-error）來手動(dòng)設(shè)計(jì)的。本文引見了一種易于拆卸的基于張拉全體（tensegrity）的軟體機(jī)械人，它具有高度靜態(tài)的活動(dòng)步態(tài)，并在面臨物理毀傷的情形下表示出構(gòu)造和行動(dòng)的彈性。這是經(jīng)由過程應(yīng)用一種機(jī)械進(jìn)修算法而完成的，該算法可以或許用起碼的物理實(shí)驗(yàn)來發(fā)明有用的步態(tài)。這些成果進(jìn)一步證明了軟體機(jī)械人的辦法，該辦法試牟利用龐雜的資料動(dòng)力學(xué)的互相感化來發(fā)生年夜量的靜態(tài)行動(dòng)。

與機(jī)械分歧的是，植物表示出了極年夜的彈性，其部門緣由是它們將在軟組織和堅(jiān)固的骨骼環(huán)繞糾纏在一路。在天然界中，這類柔嫩性激發(fā)了一些應(yīng)用了軟系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的使人注視的行動(dòng)。例如，章魚可以或許自順應(yīng)地用“關(guān)節(jié)”塑造他們的四肢，以履行有用的抓握。水母應(yīng)用它們固有的彈性，在泅水時(shí)主動(dòng)地恢復(fù)能量。煙草天蛾毛蟲（Manduca sexta caterpillar）有一種具有相似于“內(nèi)臟活動(dòng)活塞（visceral-locomotory piston）”感化的中腸，它在四周的軟組織之進(jìn)步行前向滑動(dòng)，在任何可見的內(nèi)部變更之前，將它的重心停止前向挪動(dòng)。

圖1：我們的軟體張拉全體機(jī)械人的概念。（A）第一個(gè)涌現(xiàn)于藝術(shù)品中的張拉全體構(gòu)造，與Kenneth Snelson的雕塑一路涌現(xiàn)。（B）它們后來被用于修建，例如Kurilpa橋（澳年夜利亞布里斯班）。（C）比來，張拉全體被以為是活細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的優(yōu)越模子。（D）我們的張拉全體機(jī)械人基于碳撐桿和彈簧。它由三個(gè)振動(dòng)器（粘在三個(gè)支柱上）驅(qū)動(dòng)，其頻率經(jīng)由過程試錯(cuò)進(jìn)修算法（資料和辦法）停止主動(dòng)調(diào)劑。（E）得益于張拉全體構(gòu)造和彈簧的服從性，我們的機(jī)械人在變形時(shí)會(huì)堅(jiān)持其完全性并彈回初始情勢。

從天然世界中取得靈感，軟體機(jī)械人范疇追求經(jīng)由過程應(yīng)用合適、靈巧和具有彈性的資料來處理傳統(tǒng)剛性機(jī)械人的一些局限性。例如，Trimmer等人應(yīng)用外形記憶合金微線圈驅(qū)動(dòng)（shape memory alloy microcoil actuation）從硅橡膠中構(gòu)建軟體機(jī)械人，它可以以受掌握的方法遲緩匍匐，或許以不受掌握的彈道方法轉(zhuǎn)動(dòng)。與此相似，Whitesides等人的研討應(yīng)用了氣動(dòng)充氣（pneumatic inflation）來發(fā)生遲緩、靜態(tài)穩(wěn)固的匍匐活動(dòng)，和疾速、但受掌握較少的觸手式抓取器（tentacle-like gripper）、由熄滅驅(qū)動(dòng)的跳線和一個(gè)自力的微流體“章魚機(jī)械人（octobot）”。

雖然軟資料機(jī)械人有其長處，但它們很難經(jīng)由過程慣例辦法停止掌握。它們是實(shí)質(zhì)上具有沒有限的自在度的高維靜態(tài)體系。供給其吸引力的彈性和可變形性是以共振和組件之間的慎密靜態(tài)耦合為價(jià)值的，這些機(jī)能在傳統(tǒng)機(jī)械人設(shè)計(jì)的工程辦法中常常被防止，或許至多被克制。這類龐雜性消除了很多傳統(tǒng)的活動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)辦法對(duì)機(jī)械人所應(yīng)用的掌握。

圖2：一切前提的機(jī)能設(shè)置裝備擺設(shè)文件。

是以，到今朝為止，年夜多半軟體機(jī)械人的活動(dòng)步態(tài)都是經(jīng)由過程試驗(yàn)的試錯(cuò)法來手動(dòng)開辟的。這一進(jìn)程既具有挑釁性也耗時(shí)，特別是在追求充足應(yīng)用軟體機(jī)制的靜態(tài)龐雜性時(shí)。主要的是，這個(gè)手動(dòng)進(jìn)程也阻攔了這些機(jī)械人在情況變更時(shí)調(diào)劑其掌握戰(zhàn)略，例如當(dāng)它們碰到意想不到的地形時(shí)，或許當(dāng)它們遭到物理破壞時(shí)。

在本研討中，我們引見了一種基于由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的張拉全體構(gòu)造的新型軟體機(jī)械人。像很多其他軟體機(jī)械人一樣，這個(gè)張拉全體機(jī)械人具有彈性，而且當(dāng)遭到攪擾或壓碎時(shí)可以或許抵御破壞。但是，與其他軟體機(jī)械人分歧的是，這類特別的模塊化張拉全體機(jī)械人易于構(gòu)建，易于掌握，并且，因?yàn)椴扇×艘环N數(shù)據(jù)高效的強(qiáng)化進(jìn)修算法，它可以主動(dòng)發(fā)明若何挪動(dòng)，并在受損時(shí)疾速從新進(jìn)修和調(diào)劑其行動(dòng)。

振動(dòng)是一種日趨通用的主動(dòng)化體系無傳感器把持和掌握辦法。例如，Rezik等人開辟了一個(gè)由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的立體機(jī)械手，可以或許對(duì)小部件停止年夜范圍的散布式立體掌握。在挪動(dòng)機(jī)械人中，由成對(duì)振動(dòng)機(jī)電驅(qū)動(dòng)的粘滑磨擦活動(dòng)（stick-and-slip frictional motion）曾經(jīng)被運(yùn)用于各類挪動(dòng)機(jī)械人中。平日，這些辦法應(yīng)用試驗(yàn)獲得的手工調(diào)諧頻率（hand-tuned frequency）來生成活動(dòng)，應(yīng)用兩種電念頭轉(zhuǎn)速的線性插值來膩滑地生成一系列行動(dòng)。基于振動(dòng)的活動(dòng)辦法的一個(gè)缺陷是，這類類型的振動(dòng)即便在假定完整分歧的外面時(shí)也會(huì)惹起弗成猜測的活動(dòng)，，這對(duì)建模和仿真提出挑釁。

張拉全體是絕對(duì)簡略的機(jī)械體系，由很多剛性元件（支柱）構(gòu)成，經(jīng)由過程拉伸元件（電纜或彈簧）銜接其端點(diǎn)，并經(jīng)由過程預(yù)應(yīng)力（prestress forces）的協(xié)同互相感化堅(jiān)持穩(wěn)固（圖1A-C）。除工程學(xué)以外，張拉全體的性質(zhì)曾經(jīng)在天然界的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上得以展示出來，從人類手臂的腱網(wǎng)（tendinous network）到活細(xì)胞的力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在每種尺寸上，張拉全體構(gòu)造都表示出兩個(gè)風(fēng)趣的特點(diǎn)：它們具有使人印象深入的強(qiáng)度與分量比，且它們在構(gòu)造上具有魯棒性并可以或許在變形的情形下堅(jiān)持穩(wěn)固。另外，與很多其他軟體機(jī)械人（soft robot）分歧的是，張拉全體構(gòu)造自己是模塊化的（僅由支柱和彈簧組成），是以絕對(duì)輕易構(gòu)建。它們異常簡略，可以作為嬰兒玩具，并以兒童運(yùn)動(dòng)用書為特點(diǎn)，但足夠龐雜，可作為下一代美國國度航空航天局行星遨游車的基本。

圖3：機(jī)械人破壞的試驗(yàn)。（A）破壞的機(jī)械人，正如圖1中所展現(xiàn)的那樣一個(gè)彈簧從機(jī)械人身上斷開銜接。（B）30次實(shí)驗(yàn)后的活動(dòng)速度。中間標(biāo)志是中位數(shù)，框的邊沿是第25和第75百分位數(shù)（IQR），晶須對(duì)應(yīng)于規(guī)模，晶須（whisker）外的點(diǎn)被以為是異常值（這對(duì)應(yīng)于“四分位間規(guī)矩”）。每一個(gè)前提都應(yīng)用20次自力的算法停止測試。

關(guān)于張拉全體機(jī)械人來講，最多見的掌握辦法是遲緩地轉(zhuǎn)變支柱和/或纜索的長度，惹起年夜范圍的準(zhǔn)靜態(tài)（而非靜態(tài)）構(gòu)造變形，這反過去又使機(jī)械人經(jīng)由過程翻騰和轉(zhuǎn)動(dòng)停止挪動(dòng)。由于他們以為這類構(gòu)造在全部活動(dòng)進(jìn)程中絕對(duì)較硬，所以這類掌握戰(zhàn)略不合適于更加和婉的軟張拉全體機(jī)械人。別的，它們會(huì)招致活動(dòng)速度變慢。

比來，研討人員開端研討關(guān)于張拉全體機(jī)械人掌握的更多動(dòng)力學(xué)辦法。Bliss等人曾經(jīng)應(yīng)用中間形式生成器（CPG）來發(fā)生模仿的非挪動(dòng)式張拉全體構(gòu)造的共振夾帶（resonance entrainment）。Mirletz等人曾經(jīng)應(yīng)用CPG在模仿的基于張拉全體脊柱的機(jī)械人中發(fā)生目的導(dǎo)向的行動(dòng)。然則，這些盡力不管何等有價(jià)值，都是在模仿情況中發(fā)生的，而且還沒有勝利地遷徙到真實(shí)世界的機(jī)械人中。正如Mirletz等人所指出的那樣，張拉全體的靜態(tài)行動(dòng)高度依附于它們互相感化的基底——這意味著在模仿情況中所開辟的成果紛歧定可以簡略地遷徙到真實(shí)的機(jī)械人上（在退化機(jī)械人學(xué)（Evolutionary Robotics）中，這被稱為“實(shí)際差距”）。

比來，Böhm和Zimmermann開辟了一種由單一震撼電磁鐵驅(qū)動(dòng)的，啟示于張拉全體的機(jī)械人。固然這類機(jī)械人不是純潔的張拉全體（它剛性地銜接了多個(gè)線性支柱），但它可以或許經(jīng)由過程轉(zhuǎn)變振蕩器的頻率在前向和反向挪動(dòng)之間停止切換。別的，迷信家門曾經(jīng)提出將振舉措為一種掌握更加柔嫩的機(jī)械人的手腕。

圖4：張拉全體機(jī)械人的無窮制版本。

在本文中，我們摸索了一個(gè)假定，即實(shí)際世界的軟張拉全體機(jī)械人的固有共振和靜態(tài)龐雜性可以被有用地加以應(yīng)用（而不是被克制），而且，假如獲得恰當(dāng)?shù)墓膭?lì)，它便可以發(fā)生共識(shí)，從而使機(jī)械人履行階梯狀（step-like）圖案，從而使其可以或許活動(dòng)。為了驗(yàn)證這一假定，并證實(shí)軟張拉全體機(jī)械人的潛力，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)口袋年夜小的軟張拉全體機(jī)械人，該機(jī)械人的參數(shù)被調(diào)劑為最年夜限制的共振，其目的是在平展地形上盡量快地停止挪動(dòng)。為了找到適合的振動(dòng)頻率，我們?yōu)闄C(jī)械人裝備了數(shù)據(jù)有用的重復(fù)實(shí)驗(yàn)算法，該算法還使得它可以或許在須要時(shí)停止調(diào)劑。

軟張拉全體機(jī)械人具有很高的回復(fù)復(fù)興性，易于用現(xiàn)有技巧停止組裝，而且可以使用便宜資料停止制作。總之，振動(dòng)式軟張拉全體機(jī)械人將軟體機(jī)械人技巧的年夜部門龐雜性（構(gòu)建和驅(qū)動(dòng)軟構(gòu)造）從新塑形成一類更加簡略的機(jī)械人（易于構(gòu)建和驅(qū)動(dòng)），同時(shí)堅(jiān)持軟體機(jī)械人的很多具有吸引力的特點(diǎn)，例如，彈性和可變形性。得益于進(jìn)修算法，我們的原型可以完成年夜于10 cm / s的活動(dòng)速度（每秒年夜于一個(gè)身材長度），并在小于30次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)修新的步法，從而使其可以順應(yīng)毀傷或新情形。據(jù)我們所知，這使其成為最快的軟體機(jī)械人之一。我們的軟張拉全體機(jī)械人完成了這類速度，由于它們奇特天時(shí)用了張拉全體構(gòu)造的靈巧性和共振性。以這類方法發(fā)明應(yīng)用靈巧性和共振的辦法，為將來的張拉全體構(gòu)造開拓了新的研討門路，特殊是當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)可以與主動(dòng)辨認(rèn)若何掌握共振的機(jī)械進(jìn)修算法聯(lián)合時(shí)，更是如斯。

整體而言，得益于促動(dòng)器（振動(dòng)器）、構(gòu)造（彈簧和支柱）和情況（空中）之間的龐雜互相感化，我們的柔張拉全體機(jī)械人得以挪動(dòng)。這類緊迫行動(dòng)在所表現(xiàn)的智能實(shí)際中占領(lǐng)焦點(diǎn)地位，這注解假如我們勉勵(lì)身材與“精力”之間的這類深度耦合——此處指掌握器，我們將取得更好更加真切的機(jī)械人。但是，正如本文所展現(xiàn)的那樣，試錯(cuò)法進(jìn)修算法為發(fā)明這些緊迫行動(dòng)供給了一種強(qiáng)無力的可行辦法。