“粒子机器人”是一组简单的单元

“粒子机器人”是一组简单的单元

麻省理工学院、哥伦比亚大学和其他地方的研究人员利用生物细胞的线索,开发出了计算简单的机器人,这些机器人可以大组连接在一起,移动物体,完成其他任务。

图片说明:研究人员开发了一种计算简单的机器人,称为粒子,它聚集并形成一个单一的“粒子机器人”,可以四处移动、传输物体并完成其他任务。这项工作来自麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)、哥伦比亚大学和其他地方。礼貌:Felice Frankel

这个所谓的“粒子机器人”系统是基于麻省理工学院、哥伦比亚工程学院、康奈尔大学和哈佛大学的研究人员的一个项目,由许多单个的圆盘形单元组成,研究人员称之为“粒子”。这些粒子由围绕其周长的磁铁松散连接,每个单元只能做两个事情:扩张和收缩。(每个粒子在收缩状态下约6英寸,膨胀状态下约9英寸。)当仔细计时时,该运动允许单个粒子以协调运动相互推动和拉动。车载传感器使星团能够吸引到光源上。

在今天发表的一篇自然论文中,研究人员展示了由20多个真正的机器人粒子组成的集群,以及多达10万个粒子穿过障碍物向灯泡移动的虚拟模拟。他们还展示了粒子机器人可以传送放置在其中间的物体。

粒子机器人可以形成许多形态,在障碍物周围流动,并通过紧密的缝隙挤压。值得注意的是,没有一个粒子直接与另一个粒子通信或相互依赖以发挥作用,因此可以添加或减去粒子,而不会对组产生任何影响。在他们的论文中,研究人员展示了粒子机器人系统可以完成任务,即使许多单元发生故障。

本文提出了一种新的思考机器人的方法,传统上机器人是为一个目的而设计的,它由许多复杂的部件组成,当任何部件发生故障时,都会停止工作。研究人员说,由这些简单组件组成的机器人可以使系统更具可扩展性、灵活性和鲁棒性。

“我们有一些小的机器人细胞,它们不如个人那么有能力,但作为一个群体,它们能完成很多工作,”计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)主任丹尼拉·罗斯(Daniela Rus)和安德鲁和埃娜·维特比(Erna Viterbi)电气工程和计算机科学教授说。“机器人本身是静止的,但当它与其他机器人粒子连接时,突然间,机器人集体可以探索世界并控制更复杂的动作。有了这些“通用细胞”,机器人粒子可以实现不同的形状、全局转换、全局运动、全局行为,正如我们在实验中所展示的那样,跟踪光线的梯度。这是非常强大的。”

本文作者包括:第一作者李曙光,CSAIL博士后;合著者里查巴特拉和相应作者霍德利普森,哥伦比亚工程;大卫布朗,玄东昌和尼基尔兰加纳坦康奈尔大学;查克霍伯曼哈佛大学。

在麻省理工学院,RUS已经研究了近20年的模块化连接机器人,包括一个可以连接到其他机器人上移动的伸缩立方体机器人。但方形限制了机器人的群体运动和配置。

与李鹏的实验室合作,李鹏在2014年来到麻省理工学院之前一直是一名博士后,研究人员研究了能够相互旋转的圆盘形机构。它们还可以相互连接和断开,形成许多配置。

粒子机器人的每一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、一个微控制器和一个发送和接收信号的通信组件。安装在上面的是一个儿童玩具称为霍伯曼飞行环-它的发明者是该论文的合作者之一-它由小面板连接成一个圆形的形式,可以被拉来扩大和推回合同。每个面板上安装两个小磁铁。

诀窍是对机器人粒子进行编程,以精确的顺序展开和收缩,从而将整个团队推向一个目标光源。为了做到这一点,研究人员为每一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广播信息,而无需直接进行粒子间的通信。

粒子的传感器检测来自光源的光的强度;粒子越靠近光源,强度越大。每个粒子不断地广播一个信号,与其他所有粒子共享其感知的强度级别。假设一个粒子机器人系统测量1到10级的光强度:最接近光的粒子记录10级,最远的粒子记录1级。强度级别依次对应粒子必须膨胀的特定时间。强度最高的粒子-10级-先展开。当这些粒子收缩时,下一个粒子按顺序排列,第9级,然后展开。这种定时的扩张和收缩运动发生在随后的每一级。

李说:“这就产生了一种机械膨胀收缩波,一种协调的推拉运动,它将一个大集群推向或远离环境刺激。”李补充说,关键的组成部分是粒子间共享同步时钟的精确计时,这使得运动尽可能高效:“如果你把同步时钟搞乱了,系统的工作效率就会降低。”

在视频中,研究人员展示了一个由真实粒子组成的粒子机器人系统,这些粒子在不同的灯泡被打开时移动和改变方向,并在障碍物之间的间隙中工作。在他们的论文中,研究人员还表明,由多达10000个粒子组成的模拟星团可以维持其运动速度的一半,即使高达20%的粒子都失败了。

哥伦比亚工程学院的机械工程教授利普森说:“这有点像众所周知的‘灰色粘液’”,他引用了科幻小说中的一个由数十亿个纳米机器人组成的自我复制机器人的概念。“这里的关键新奇之处在于,你有一种新型的机器人,它没有集中控制,没有单点故障,没有固定的形状,而且它的部件也没有独特的标识。”

利普森补充说,下一步是将这些部件微型化,制造一个由数百万微观粒子组成的机器人。

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