前言

在自然界中，有些生物體具有良好的柔軟性和彈性，原因是它們能夠?qū)④浗M織和堅(jiān)硬的骨骼纏繞在一起。而如果將這種靈活性于彈性賦予機(jī)器人，能否解決傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的局限性？最近，科學(xué)家們提出了一種易于裝配的基于張拉整體（tensegrity）的軟體機(jī)器人，它具有高度動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并在面對(duì)物理?yè)p傷的情況下表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和行為的彈性。

生物體將柔軟的（例如，肌肉）和堅(jiān)硬的（如骨骼）材料纏繞在一起，賦予它們?cè)趥鹘y(tǒng)剛性機(jī)器人（rigid robot）中通常缺乏的那種固有的靈活性和彈性。軟體機(jī)器人的新興領(lǐng)域?qū)で罄眠@些相同的特性來創(chuàng)造具有彈性的機(jī)器。然而，軟材料的性質(zhì)給設(shè)計(jì)、建造和控制方面都帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)——直到現(xiàn)在，軟體機(jī)器人的絕大多數(shù)步態(tài)都是通過實(shí)驗(yàn)的試錯(cuò)法（trial-and-error）來手動(dòng)設(shè)計(jì)的。本文介紹了一種易于裝配的基于張拉整體（tensegrity）的軟體機(jī)器人，它具有高度動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并在面對(duì)物理?yè)p傷的情況下表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和行為的彈性。這是通過使用一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法而實(shí)現(xiàn)的，該算法能夠用最少的物理試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)有效的步態(tài)。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了軟體機(jī)器人的方法，該方法試圖利用復(fù)雜的材料動(dòng)力學(xué)的相互作用來產(chǎn)生大量的動(dòng)態(tài)行為。

與機(jī)器不同的是，動(dòng)物表現(xiàn)出了極大的彈性，其部分原因是它們將在軟組織和堅(jiān)硬的骨骼纏繞在一起。在自然界中，這種柔軟性引發(fā)了一些利用了軟體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的令人注目的行為。例如，章魚能夠自適應(yīng)地用“關(guān)節(jié)”塑造他們的四肢，以執(zhí)行有效的抓握。水母利用它們固有的彈性，在游泳時(shí)被動(dòng)地恢復(fù)能量。煙草天蛾毛蟲（Manduca sexta caterpillar）有一種具有類似于“內(nèi)臟運(yùn)動(dòng)活塞（visceral-locomotory piston）”作用的中腸，它在周圍的軟組織之前進(jìn)行前向滑動(dòng)，在任何可見的外部變化之前，將它的重心進(jìn)行前向移動(dòng)。

圖1：我們的軟體張拉整體機(jī)器人的概念。（A）第一個(gè)出現(xiàn)于藝術(shù)品中的張拉整體結(jié)構(gòu)，與Kenneth Snelson的雕塑一起出現(xiàn)。（B）它們后來被用于建筑，例如Kurilpa橋（澳大利亞布里斯班）。（C）最近，張拉整體被認(rèn)為是活細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的良好模型。（D）我們的張拉整體機(jī)器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)，其頻率通過試錯(cuò)學(xué)習(xí)算法（材料和方法）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。（E）得益于張拉整體結(jié)構(gòu)和彈簧的順從性，我們的機(jī)器人在變形時(shí)會(huì)保持其完整性并彈回初始形式。

從自然世界中獲得靈感，軟體機(jī)器人領(lǐng)域?qū)で笸ㄟ^使用適合、靈活和具有彈性的材料來解決傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的一些局限性。例如，Trimmer等人使用形狀記憶合金微線圈驅(qū)動(dòng)（shape memory alloy microcoil actuation）從硅橡膠中構(gòu)建軟體機(jī)器人，它可以以受控制的方式緩慢爬行，或者以不受控制的彈道方式滾動(dòng)。與此類似，Whitesides等人的研究使用了氣動(dòng)充氣（pneumatic inflation）來產(chǎn)生緩慢、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的爬行運(yùn)動(dòng)，以及快速、但受控制較少的觸手式抓取器（tentacle-like gripper）、由燃燒驅(qū)動(dòng)的跳線和一個(gè)獨(dú)立的微流體“章魚機(jī)器人（octobot）”。

盡管軟材料機(jī)器人有其優(yōu)點(diǎn)，但它們很難通過常規(guī)方法進(jìn)行控制。它們是本質(zhì)上具有無(wú)限的自由度的高維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。提供其吸引力的彈性和可變形性是以共振和組件之間的緊密動(dòng)態(tài)耦合為代價(jià)的，這些性能在傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的工程方法中經(jīng)常被避免，或者至少被抑制。這種復(fù)雜性排除了許多傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)方法對(duì)機(jī)器人所使用的控制。

圖2：所有條件的性能配置文件。

因此，到目前為止，大多數(shù)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)都是通過實(shí)驗(yàn)的試錯(cuò)法來手動(dòng)開發(fā)的。這一過程既具有挑戰(zhàn)性也耗時(shí)，尤其是在尋求充分利用軟體機(jī)制的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性時(shí)。重要的是，這個(gè)手動(dòng)過程也阻止了這些機(jī)器人在環(huán)境變化時(shí)調(diào)整其控制策略，例如當(dāng)它們遇到意想不到的地形時(shí)，或者當(dāng)它們受到物理?yè)p壞時(shí)。

在本研究中，我們介紹了一種基于由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的張拉整體結(jié)構(gòu)的新型軟體機(jī)器人。像許多其他軟體機(jī)器人一樣，這個(gè)張拉整體機(jī)器人具有彈性，并且當(dāng)受到干擾或壓碎時(shí)能夠抵抗損壞。然而，與其他軟體機(jī)器人不同的是，這種特殊的模塊化張拉整體機(jī)器人易于構(gòu)建，易于控制，而且，由于采用了一種數(shù)據(jù)高效的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，它可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)如何移動(dòng)，并在受損時(shí)快速重新學(xué)習(xí)和調(diào)整其行為。

振動(dòng)是一種日益通用的自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)傳感器操縱和控制方法。例如，Rezik等人開發(fā)了一個(gè)由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的平面機(jī)械手，能夠?qū)π〔考M(jìn)行大規(guī)模的分布式平面控制。在移動(dòng)機(jī)器人中，由成對(duì)振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)（stick-and-slip frictional motion）已經(jīng)被應(yīng)用于各種移動(dòng)機(jī)器人中。通常，這些方法使用實(shí)驗(yàn)得到的手工調(diào)諧頻率（hand-tuned frequency）來生成運(yùn)動(dòng)，使用兩種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性插值來平滑地生成一系列行為?；谡駝?dòng)的運(yùn)動(dòng)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，這種類型的振動(dòng)即使在假設(shè)完全一致的表面時(shí)也會(huì)引起不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)，，這對(duì)建模和仿真提出挑戰(zhàn)。

張拉整體是相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)，由許多剛性元件（支柱）組成，通過拉伸元件（電纜或彈簧）連接其端點(diǎn)，并通過預(yù)應(yīng)力（prestress forces）的協(xié)同相互作用保持穩(wěn)定（圖1A-C）。除了工程學(xué)之外，張拉整體的性質(zhì)已經(jīng)在自然界的各個(gè)尺度上得以展現(xiàn)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)。在每一種尺寸上，張拉整體結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出兩個(gè)有趣的特征：它們具有令人印象深刻的強(qiáng)度與重量比，且它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上具有魯棒性并能夠在變形的情況下保持穩(wěn)定。此外，與許多其他軟體機(jī)器人（soft robot）不同的是，張拉整體結(jié)構(gòu)本身是模塊化的（僅由支柱和彈簧構(gòu)成），因此相對(duì)容易構(gòu)建。它們非常簡(jiǎn)單，可以作為嬰兒玩具，并以兒童活動(dòng)用書為特色，但足夠復(fù)雜，可作為下一代美國(guó)國(guó)家航空航天局行星漫游車的基礎(chǔ)。

圖3：機(jī)器人損壞的實(shí)驗(yàn)。（A）損壞的機(jī)器人，正如圖1中所展示的那樣一個(gè)彈簧從機(jī)器人身上斷開連接。（B）30次試驗(yàn)后的運(yùn)動(dòng)速度。中心標(biāo)記是中位數(shù)，框的邊緣是第25和第75百分位數(shù)（IQR），晶須對(duì)應(yīng)于范圍，晶須（whisker）外的點(diǎn)被認(rèn)為是異常值（這對(duì)應(yīng)于“四分位間規(guī)則”）。每個(gè)條件都使用20次獨(dú)立的算法進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于張拉整體機(jī)器人來說，最常見的控制方法是緩慢地改變支柱和/或纜索的長(zhǎng)度，引起大規(guī)模的準(zhǔn)靜態(tài)（而非動(dòng)態(tài)）結(jié)構(gòu)變形，這反過來又使機(jī)器人通過翻滾和滾動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這種結(jié)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)較硬，所以這種控制策略不適合于更為柔順的軟張拉整體機(jī)器人。另外，它們會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度變慢。

最近，研究人員開始研究關(guān)于張拉整體機(jī)器人控制的更多動(dòng)力學(xué)方法。Bliss等人已經(jīng)使用中心模式生成器（CPG）來產(chǎn)生模擬的非移動(dòng)式張拉整體結(jié)構(gòu)的共振夾帶（resonance entrainment）。Mirletz等人已經(jīng)使用CPG在模擬的基于張拉整體脊柱的機(jī)器人中產(chǎn)生目標(biāo)導(dǎo)向的行為。但是，這些努力無(wú)論多么有價(jià)值，都是在模擬環(huán)境中產(chǎn)生的，并且尚未成功地遷移到真實(shí)世界的機(jī)器人中。正如Mirletz等人所指出的那樣，張拉整體的動(dòng)態(tài)行為高度依賴于它們相互作用的基底——這意味著在模擬環(huán)境中所開發(fā)的結(jié)果不一定可以簡(jiǎn)單地遷移到真正的機(jī)器人上（在進(jìn)化機(jī)器人學(xué)（Evolutionary Robotics）中，這被稱為“現(xiàn)實(shí)差距”）。

最近，B?hm和Zimmermann開發(fā)了一種由單一震動(dòng)電磁鐵驅(qū)動(dòng)的，啟發(fā)于張拉整體的機(jī)器人。雖然這種機(jī)器人不是純粹的張拉整體（它剛性地連接了多個(gè)線性支柱），但它能夠通過改變振蕩器的頻率在前向和反向移動(dòng)之間進(jìn)行切換。另外，科學(xué)家門已經(jīng)提出將振動(dòng)作為一種控制更為柔軟的機(jī)器人的手段。

圖4：張拉整體機(jī)器人的無(wú)限制版本。

在本文中，我們探索了一個(gè)假設(shè)，即現(xiàn)實(shí)世界的軟張拉整體機(jī)器人的固有共振和動(dòng)態(tài)復(fù)雜性可以被有效地加以利用（而不是被抑制），并且，如果得到適當(dāng)?shù)募?lì)，它就可以產(chǎn)生共鳴，從而使機(jī)器人執(zhí)行階梯狀（step-like）圖案，從而使其能夠運(yùn)動(dòng)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，并證明軟張拉整體機(jī)器人的潛力，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)口袋大小的軟張拉整體機(jī)器人，該機(jī)器人的參數(shù)被調(diào)整為最大限度的共振，其目標(biāo)是在平坦地形上盡可能快地進(jìn)行移動(dòng)。為了找到合適的振動(dòng)頻率，我們?yōu)闄C(jī)器人配備了數(shù)據(jù)有效的反復(fù)試驗(yàn)算法，該算法還使得它能夠在需要時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

軟張拉整體機(jī)器人具有很高的復(fù)原性，易于用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行組裝，并且可使用廉價(jià)材料進(jìn)行制造。總之，振動(dòng)式軟張拉整體機(jī)器人將軟體機(jī)器人技術(shù)的大部分復(fù)雜性（構(gòu)建和驅(qū)動(dòng)軟結(jié)構(gòu)）重新塑造成一類更為簡(jiǎn)單的機(jī)器人（易于構(gòu)建和驅(qū)動(dòng)），同時(shí)保持軟體機(jī)器人的許多具有吸引力的特征，例如，彈性和可變形性。得益于學(xué)習(xí)算法，我們的原型可以實(shí)現(xiàn)大于10 cm / s的運(yùn)動(dòng)速度（每秒大于一個(gè)身體長(zhǎng)度），并在小于30次試驗(yàn)中學(xué)習(xí)新的步法，從而使其可以適應(yīng)損傷或新情況。據(jù)我們所知，這使其成為最快的軟體機(jī)器人之一。我們的軟張拉整體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了這種速度，因?yàn)樗鼈儶?dú)特地利用了張拉整體結(jié)構(gòu)的靈活性和共振性。以這種方式發(fā)現(xiàn)利用靈活性和共振的方法，為未來的張拉整體結(jié)構(gòu)開辟了新的研究途徑，特別是當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)可以與自動(dòng)識(shí)別如何控制共振的機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合時(shí)，更是如此。

總體而言，得益于促動(dòng)器（振動(dòng)器）、結(jié)構(gòu)（彈簧和支柱）以及環(huán)境（地面）之間的復(fù)雜相互作用，我們的柔張拉整體機(jī)器人得以移動(dòng)。這種緊急行為在所體現(xiàn)的智能理論中占據(jù)核心位置，這表明如果我們鼓勵(lì)身體與“精神”之間的這種深度耦合——此處指控制器，我們將獲得更好更為逼真的機(jī)器人。然而，正如本文所展示的那樣，試錯(cuò)法學(xué)習(xí)算法為發(fā)現(xiàn)這些緊急行為提供了一種強(qiáng)有力的可行方法。