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仿生机器人之父Mark从生物学中学习制造

发布时间:2019-04-11 07:31:57 编辑:笔名

5月16日下午,全球仿生机器人的奠基人、美国两院院士Mark Cutkosky在第四届中国机器人峰会上作了关于Biomimetic Robot的报告,分享了他对于仿生机器人领域的深刻认知,并通过大量精彩的实例,让我们认识到所谓仿生不是简单的拷贝,或许我们将从中得到启示,去发明更多各种各样的机器人!

以下是报告全部内容:各位下午好,非常高兴来到中国进行演讲。我们峰会的主题就是要理解下一代的机器人,特别是下一代的制造机器人。其中有一点,我想说服大家的就是我们看一下下一代的机器人,机器人其实是超越工厂,进入到我们家里,进到我们车里。我们会发现,我们可以学到更多的教育。

一、从生物学中能学到很多从生物学当中可以学到很多,动物非常擅长对这种不确定性有很好的反映,特别是对周边确定环境,我们可以从动物当中学到很多。

我的实验室的毕业生,加利福尼亚一个教授,生物学家,他就是研究壁虎机器人的。当然在工业制造当中,壁虎机器人不是很擅长,但是其他领域,壁虎就可以大显身手,在很多地方进行协作。

谈到仿生的机器人时候并不是抄袭自然,有一些理由的。首先人类自己并不是优化的,并不是一个工程,而自然往往会选择什么是可以的。所以我们其实就是从自然当中要挑出一些原则、原理,然后把这些原则原理进行改造,用在机器人身上,其实也不是100%仿造自然。

接下来介绍一些我们的仿生学的机器人或者生物灵感机器人。在自然当中,这些动物或者这些有机体是非常复杂的,比如它的腿或者手臂非常复杂,它们有肌肉。

有一点它非常擅长,它能够简化所有的对复杂系统的控制,所以它们的行为习惯很简单。还有一个就是所有的动物,它必须要很好地管理这个能源,或者节约能源很强,如果你不能够很好地控制能源的话,你会饿死。

第三点就是用多功能的材料,有多个目的的材料。在这里我想说的一点,对于制造业4.0,我们要思考的,是在使用机器人的时候用一种新的不同的材料。顺便说一下,这对我们是机会,我们需要使用新的材料养森瘦瘦包
,我们需要新的制造过程。

,它们并不是在环境当中生存,而是和环境进行互动的。非常有意思,还有KLOD,他也是另外一个合作教授,他研究壁虎为什么能够在墙上爬来爬去。这是一个非常复杂的体系,这里有一些特性,比如有厘米级、毫米级的,还有像微米级的,有非常小、仅仅几纳米的结构。

我们并没有哪个制造工艺可以达到这么精细,但是自然可以做到。因为自然开发了这样的生物体,一个细胞、一个细胞进行分裂造成的。对我们来说,我们每一次有这样的属性,比如说毫米、纳米,还有纳米,我们需要另外一个制程达到这样的精细度,都是非常巨大的挑战。

二、智能与物理结构本次峰会的一个主题是人工智能,新兴的人工智能。我们要记住在自然过程当中,智能是没有和物理结构分割的,它们是组合在一起的。例如机械昆虫,有很多传感器、神经系统可以进行响应,有控制系统深圳工薪贷款
,的其实也是充分利用了物理结构的机械性能。所以呢,这种智能和机械系统在自然当中,不是分离的,而是集成在一起的。

我们使用的快速成型的技术。这是一个典型的工艺,当然还有其他工艺。我再次解释一点,就是我们的制造4.0或者工业4.0,需要思考新的制造的过程,有不同的材料通过这样的工艺可以做到。

另外一个例子就是一个BOB的实验室,是蟑螂的一个脚。

关于昆虫,你把它腿拔下来,它也可以工作。这个是机器人的腿,一个塑料。粉红色的是比较软的有弹性的塑料,看上去并不是像蟑螂的腿那样,但是我们确实让它有相同的动态的功能。比如说有的地方的刚度,或者它的能量的释放系数,使得我们机器人在跑或者越过障碍的时候像蟑螂一样。可以看到这是我们的一些机械智能,还有我们控制的智能。

三、仿生机器人发展现状我们现在达到什么地步呢?我们知道有不同的机器人。一开始这种机器人,能够飞来飞去,拍照片,或者是有轮子在下面,在地上爬来爬去,或者有超声传感器建立地图。它们其实不是互动性的,和环境没有互动,因为互动是有风险的。我们开始碰上环境的话,一定会遇上问题,可能有磨损或者是坏掉。他们叫做这个非触碰机器人。

这是一开始,后来人们更加大胆,学到了更多。我们可以去将机器人引入世界。有一些机器人,它们是和环境有非常亲密的接触。它们爬到墙上,飞行。并不是不要碰到这个东西,它们其实故意栖息在这个墙上或者障碍物上。我们想象一下,小的动物飞行的时候经常栖息,有的时候包括我们一些空间如何去进行一些比如抓捕的工作。

四、爬行机器人的发展1动物给仿生的启示当然每一次我们都会有非常多的仿真和建模的工作,希望能够和环境进行互动。所以我们现在做了好几次了,举例来说,这是做的关于壁虎机器人的粘性的。

这是仿生机器人。我们原本是以一个挑战开始的,我们观察了自然当中动物怎么进行在墙上攀爬的。比如一个蜗牛,它可以爬在墙上,但是它不是非常的敏捷,它是比较的慢。

当然壁虎是非常快的,它可以每秒达到1米行动速度。所以这是一个很好的例子。然后我们就会跟生物学方面的专家进行沟通,从跨学科的角度向他们学习是如何发挥作用的。然后我们做出了一些假设,哪些可能对爬行动物比较重要的,对壁虎来讲是非常复杂的系统,所以我们必须进行简化。我们提出了一些想法,哪个部分对我们来讲重要的,然后生成,进行制造,生成柔性的机器人做这样的爬行的工作。

当然了,我们有的时候,在次往往不一定能够做到,有的时候不好的话,我们要不断地进行修整。这是我们终的粘性机器人,仿生机器人到了第三代了。

另外要考虑的,就是观察动物的时候,非常有趣的一点,在不同类别的动物当中有同样的原则。你想像一下爬山的动作,有不同的表面,你希望能够在上面进行攀爬,有的时候比较硬或者比较软。不管这些壁虎,还是松鼠,在右下角大家看到有一个松鼠,从某个人的厨房里面爬出来的,嘴里面还有食物,它在向下攀爬。对动物来讲,不同的表面他们有不同的解决方案。

2精彩的壁虎之力如果你观察一下壁虎,大家可能都记得的,它是有一个足间有粘性的装置,还有爪子。这个爪子是可以很好地和硬质的砖头表面进行抓合。而且还有一些刺毛。

这是我刚才所说的非常重要的一点,就是让我们考虑一下,对于它们来讲重要的原则是什么,从壁虎角度来讲非常典型的一点,我们可以观察到,通过不同的沟通之后,我们会觉得需要能够根据不同的尺度的表面进行一个契合,有一个层级的契合度,因为它可能是很精彩的力。然后它可能在这个表面,有分子层面的契合度。

第二个我需要有几页PPT,讲到关键的点就是定向胶粘剂,壁虎的胶粘剂有定向的,而且可以控制的。所以我们会花了很多的时间构建了一个微级的结构,它可能有同样的定向的结构性的能力,在几分钟之后我会提到。当你确实有了这样的系统,能够跟不同尺寸的表面进行契合之后,这个时候需要有一个控制的战略,根据机器人可能释放的力量,有个分布力的控制。像壁虎的脚指头一样,可以以厘米的层级控制它的力量。我们在这里以微米以及纳米的级别实行不同级别上对力量的控制。

就是这页PPT,我同事,他是生物学家,他对我们进行数据的生成,从壁虎的视角进行了分析。在它的垂直轴是粘附力大小,横轴是粘附的时间。但是定向的时间,对壁虎足间的粘附力有一个正向力,方向错误的话不会有太多的粘附力。这个时候,像这样的材料,这个材料不像我们胶带一样一直是粘的,在想要它粘的时候才能够粘,这是我们想要的属性。

这页PPT,给大家展示一个例子更好一些。我没有带机器人来,但是有一些材料,这是我们有壁虎的材料,看上去不粘。如果把它进行载荷,如果有一个剪切力施加表面的话,它就可以很轻松抓起一个足球。它不是一个胶带,如果不加载剪切力一点都不粘。

这对于一个爬行机器人有很多好处,我们是否可以生产呢?有的时候我们在想一个问题,我们有一个和电器公司进行机器人的生产。

五、粘附力与控制

我们以更科学的角度解释一下,从纵轴来看我们有一个力,横轴是我们剪切力,这是跟表面平行的,所以我们可以看到我们在这里,当我把材料向上推的时候,这个时候,我不会有任何的粘附的作用。可能看上去像摩擦力一样的。

摩擦力没有什么坏处,摩擦力可以让我们汽车的刹车起到作用。摩擦的好处是可以控制,如果你在刹车上踩更猛一些你有什么结果?这个汽车更快停下来,如果非常轻松踩下刹车呢?刹车的速度更慢一些,时间更长一些,可控就是这个因素。如果是正常运用的话,它的摩擦力是一样正常的。

这个在我们日常生活当中非常重要,不用想也知道了。但是想象一下,这个粘附力也一样,如果我有比较大的切向力能够向下拉的话,就会产生很大的粘附力。如果没有任何的切向力,轻轻碰一下,这个时候粘附的效果比较小,会很快剥离开来。几分钟之前可以看到足球就是这样,慢慢放下剪切力的时候就自己慢慢断开了。这是意味着我们有一个安全区,这个安全区让它粘附作用发挥效益。

在这里还有几页PPT,涉及到如何控制的问题。非常有趣的,有的时候,结果看上去不言自明,但是我们做爬行机器人的时候特色小吃加盟
,可能它的前肢比较好的,会防止它向后仰掉下去。我们初出发点就是强化它的前肢,把前肢进行轻度的载荷,不让它失效。但是我们对于壁虎的机器人,壁虎自身作用率,你发现他的前肢,它们往往大部分的时候是失效的,因为它们在安全区域,蓝色的腿比较安全一点。

我们优化的策略就是应该在这个上肢更用力一些,因为更用力的话有更大的粘附力。可能对人来讲我们做不到这点,因为我们前臂没有我们腿来得有力。起码可以让我们有检验的假设。什么假设呢?壁虎就是它是否可以会在前肢有更大的作用力呢?根据理论来讲这是比较好的想法,这样会生成更大的凝聚力或者粘附力。

我们检验一下,从上部分来讲,展示了它的前肢和它的前向后和侧向的用力情况。你可以看到四肢,比如在左侧、左前和右前,比后肢更有力一些,在正常方向来讲可以看到它的一些前腿,更多的是控制它的身体不会向后仰。对后也是有一个推向,有一个向上的剪切力。

这个左侧和右侧,壁虎向自己身体靠拢,这样有很好的吸附力。壁虎有时候爬在天花板上,必须要能够左右向地去收紧它的肢体,这样能够产生向上的拉力不会让它从上面掉下来,这是一个照片,我们看一下它的后腿做什么。就好象松鼠一样,必须要向后,否则的话它就会掉下去。

除了摩擦力之外还有什么好处?摩擦力和吸附力可以进行比较,我有多大摩擦力这取决于我重量多少,如果我是大象比较好,如果我是非常小的生物,对我来讲摩擦力不是太好。大部分的昆虫,它们其实重量非常轻,但是它们能够有很大的载荷可以背在自己的身上,这个不是因为它的摩擦力多少,而是它的吸附力多强。

我们想象一下小型机器人,它们可以有效做一些工作,我们必须给很好的吸附力,而不是用摩擦力让它们可以有载荷的承担。吸附力跟区域的面积相关,而不是跟体积相关。

六、仿生粘附力的应用1粘附力在重物拖行的应用

这里有一个小的视频,我播放一下,看看蚂蚁怎么缆上爬行的,它们每一次在提起脚的时候都有脚脱离,然后再放上去,它们可以非常快速的方式以很快的一个可控的粘附力在电缆上走。如果你很小的话,你可能很好地应用这个吸附力,如果你无法关闭这个吸附力,你将会粘在电缆上。我们人的吸附力比较好,可以快速地开和关,控制这样的吸附力。

还有一个非常有趣的事情。就是实际上,它会有不同的方向,如果你用吸附力的话,会有不同的电机用到我们机器人当中,因为载荷和去载荷可能有的时候需要一定的工作。所以,我们想象一下,我们的一些纠正器,像微型机器人,它实际上不会很好地适合我们这里的机器人。我们需要的是有非常长的冲程。

再说到小型机器人,它将会有更高的效率。所以它的每一只脚只有几微米的样子,如果你有很小的机器人,你有很长的行径路程的话,你怎么使用它,我们这就有一个概念,叫做微型拖船。我这里有一个播放的视频,我希望音频能够听得出来。

(视频播放)

2粘附力在太空中的应用非常好。谢谢。展示了一个小型机器人如何拉动大东西,除此之外我们壁虎粘附力还有什么应用?

还有太空。不仅仅在美国,同时在中国也有非常多的对太空探索的愿景。对于壁虎的吸附力来讲,很好的应用就是在太空当中进行抓捕。你可能在真空中不能用真空吸附,因为是很高的温度或者很低的温度,大部分的材料,想抓的都不是磁性。因此大部分要轻轻碰上物体进行加固以后抓回来,而不是说把它们一下子打到另外一个飞行轨道上,你再也看不到它了。

还有在航空站、空间站中控制我们的物体,另外一个在空间站之外,要在太空当中抓捕某些物体。我们可以到现在可以看到一些垃圾围绕地球,可能这个会越来越危险,我们必须搜集这些太空垃圾,放到一个安全轨道当中,不要影响我们未来的勘探工作。我们个应用就是清理轨道的飘浮物,但是这个比较困难,因为它本身不能抓捕,而且有自我旋转的方向。所以这个时候很难抓住固定。如果用壁虎,有这样的抓手,可以很快地抓住。

我有一个视频可以直观地展示一下我们目前在它的开发过程当中是走到哪一步了。我们有一些抓手,现在是和我们的实验室进行合作,这张照片显示了零重力飞行项目当中,我们可以由一个抛物线的轨迹,我们会有15秒钟的一个所谓的零重力的时间,然后往复运转,这个能很好地解释你悬空的情况。有的时候他们吃完药还会恶心不行。我们会有一个视频,希望给大家播放一下。

大概的意思就是地球附近有非常多的垃圾,包括一些无用的退役卫星,它们将会是造成很大的一些损伤。所以我们需要能够在零重力的环境之下进行清除。对于壁虎来讲,它的一个吸附力,将会是应用在把一些太阳能板或者其他的材料在真空的情况下进行抓附,这是很好的应用场景,清除这样的垃圾。

然后我们进行了一些圆形的设计,这些就是不同的机器人。在美国航空实验他们也进行了实验,希望把400公斤的机器人和另外一个400公斤的机器人进行壁虎式的抓附,把另外一个机器人拖走,很成功,这个机器人很成功地轻轻一碰就把另外一个机器人抓住了。

这个不会太影响既定的飞行轨迹。因为只是轻轻的一碰就可以吸附上。这个有不同的抓取表面,在零重力的实验室当中他们就会进行这样的实验:抓了一个小箱子,而没有对小箱子的既定飞行轨迹产生改变。

这跟传统的情况有点不同。然后它的偶联和解耦非常轻的,不需要有太大的外力,他们也进行了一些概念的验证。在这种情况下,对于物件的方向控制非常容易。在今年早期的时候,他们在国际空间站做了一些实验,有的物件原来在天空中飘来飘去。我们现在可以通过吸附装置粘在墙上。

3粘附力在无人机的应用还有一个例子给大家看一下,我们待会儿可以做一个总结。这是四旋翼的飞机和无人机的例子。很多无人机的应用,比如说拍摄照片,或者是进行监控或者是绘图,飞来飞去都不会碰上物体,我觉得它们应当碰到物体,然后停下来再次起飞,这样确确实实能够节约大量的能量,把螺旋桨停下来可以节约很多的能量,这是自然当中的一个启迪。它在飞,然后停下来,吸在墙上。然后再次起飞,这样可以大节约能量。

接下来给大家看一下,它为什么要停在这个表面呢。它停下来,我们要考虑各种各样的大风形成,首先是一个小型的四旋翼的飞机,还有一些其他功能,就像一个昆虫一样,让它能够爬行。我们也会增加一些重量,增加它的惯性,增加它的优势。很多的小型机器人一般飞行分钟就没有能量,如果停下来的话可以停很长时间。然后再次起飞,这里不会再具体说了。

我们看一下,把它的任务时间大大增加了,省下很多的能量。当然这个结果还不是的。功率的螺旋桨,作用非常显而易见,如果你停下来的话,你的能源消耗比飞行时候更少。还有另外一个,我们要找到很好的着陆点,一个墙上很好的着力点,有的时候很难找到好停留的地方。我们决定在垂直表面进行实验,如果在垂直表面停下来,我们要爬行重新定位,得到更好的角度。如果下雨的话就躲在屋檐下面,等一等或者充电再次起飞。

第三点,非常有意思。这一点,我在开始的时候并没有意识到。我们其实可以把爬行和四旋翼组合在一起,我们其实可以更加勇敢一点,爬上这个墙,如果哪怕失败的话也不是什么大事,我们可以再次爬,这是生理学非常好的灵感,有一些鸟用翅膀帮助它们爬行,特别是在悬崖或者树上它们用翅膀攀爬。还有昆虫,有非常小的一个刺,这个小刺能够卡在粗糙的地方,这个非常小。

我们可以计算一下,如果有一些小小的突起,我们可以由小刺扣在上面。如果滑行的话,可以马上给出一个螺旋桨的推力。我们还有各种各样的参数的和一些简单的算法,有的时候这种智能的行为习惯,会来自于一个非常简单的控制器,简单的系统和非常复杂的环境进行互动。我一张幻灯片,有一些总结。

如果你让其中一个小的机器人,比如再墙上爬行,你会想到一个昆虫,或者是和人、世界进行互动。确实有点像动物,思考一下这个机器人,并没有非常复杂的微处理器,比你的微处理器力量更小一点。但是你并没有把你的看是成动物。像DALES,是三星的,你认为它是动物?不是,也许有人说像一个动物,有点像一个寄生虫,因为它利用我们在周游世界。其实它有更多的计算能力,它有更多传感能力。

我要提醒大家的是,我们要把机器人从一个非常容易控制的制造环境引入我们家庭或者汽车里面,或者照顾老人,来打理更多的应用的话,就要从生物当中学到更多。我们用比较软的新材料,需要一个崭新的制造工艺。记住,像我们的壁虎的这样的粘带,是非常小的特征。今后我们怎么制造出这么小的粘胶带,是要好好思考的。我们需要有这样的机器人,能够应用很好的空气动力学,这是一些我们的背后工作人员照片。谢谢大家认真听讲。