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編者按：本文由雷鋒網(wǎng)編譯自IEEE Spectrum，原文作者為意大利圣安娜高等學(xué)校機(jī)器人實(shí)驗室負(fù)責(zé)人、Octopus Integrating Project負(fù)責(zé)人Cecilia Laschi。
當(dāng)我們實(shí)驗室的學(xué)生第一次讓章魚機(jī)器人下水時，我很緊張。那時，陽光照射在地中海的碧波上，我望著機(jī)器人慢慢沉入水底，根據(jù)指令做出游泳、爬行等動作。當(dāng)我命令它進(jìn)入甲板下的一片狹小的空間時，它靈活地收縮著身體，輕而易舉地鉆進(jìn)那片窄窄的間隙。
迄今為止，人類已經(jīng)創(chuàng)造了很多機(jī)器人，它們大多數(shù)在工廠中，根據(jù)指令協(xié)助人類完成工作。但是，機(jī)器人需要走出這些環(huán)境，去探索更非主流的地方，比如海底或火星表面。而要在這些地方發(fā)光發(fā)熱，機(jī)器人必須有一個靈活的身體，能夠根據(jù)不同的環(huán)境作出調(diào)整。
這樣一來，打造軟體機(jī)器人顯得格外重要。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，我們將目光轉(zhuǎn)向了動物領(lǐng)域。動物適應(yīng)性強(qiáng)，身體通常由軟體物質(zhì)構(gòu)成，身體組織可以隨著環(huán)境的變化而變化。
因此，我發(fā)起了“章魚綜合項目（Octopus Integrating Project）”，聯(lián)合歐洲、以色列等實(shí)驗室致力于章魚機(jī)器人的研究。
為什么要選擇章魚作為研究對象？
章魚沒有內(nèi)外骨骼，其八只爪子能夠伸向四面八方，能緊緊地纏繞物體，能自由伸長或縮短、變軟或變硬。它非常靈活，能隨著環(huán)境的變化自如地變化著身體。
我們想要打造一款像章魚一樣靈活的機(jī)器人，首先，我們需要學(xué)習(xí)章魚爪的肌肉性靜水骨骼，它是章魚靈活身體的關(guān)鍵。在深究了章魚的生物特征之后，我們的難點(diǎn)就是如何將這些生物知識轉(zhuǎn)換為工程知識。我們雇傭了一位海洋生物學(xué)家來測量章魚爪，能根據(jù)此制作計算機(jī)模型，以此來指導(dǎo)我們的實(shí)驗。接著，我們開始試驗軟體發(fā)動機(jī)，來模仿動物肌肉。
要打造章魚肌肉，主要有四個方法。
方法之一，便是使用一種叫做“電子動力聚合物（EAP）的物質(zhì)來打造人造肌肉，這種物質(zhì)一層軟性材料，上下各有一個電極。當(dāng)接上電流，EAP就變成了電容器，兩個電極便收緊，將中間的軟性材料擠到兩邊。歐洲的一支研究團(tuán)隊現(xiàn)在已經(jīng)打造出了EAP制作的人造肌肉。
方法之二是使用液體制動器，它能自由地設(shè)計形狀，靈活地安排電隔室，讓機(jī)器人手臂自由彎曲，作出更復(fù)雜的動作。
方法之三甚是有趣：用顆粒材料（如沙粒，甚至咖啡），而不是液體，來制造機(jī)器人手臂。這種方法也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由收縮和伸展。
而我們最感興趣的，是方法之四：使用一種叫做形狀記憶合金 （SMA）的物質(zhì)來打造人造肌肉。當(dāng)溫度升高時，SMA可以變成特定的形狀，它還會“記住”這種形狀。我們通過電流產(chǎn)生熱量來加熱SMA，讓它變成真正章魚的形狀。同時，它能“記住”各種不同的形狀，這樣就能實(shí)現(xiàn)彎曲、變短、身長、抓取物體等動作。
我們知道，要成功打造一只章魚機(jī)器人，并不是一件易事。但我們知道，如若成功，我們將會造福很多人。章魚機(jī)器人的用途很廣，它能幫助人類進(jìn)行水下修理。當(dāng)船底破損，修理將成為一件危險、困難、昂貴的事。這時，章魚機(jī)器人將能完美地解決這個問題。
同時，章魚擁有很高的智商。相比于其他的軟體動物，章魚的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)展地更為完善，不過仍然有著自己的限制。因此，我們很驚訝它的八只爪子的獨(dú)立活動范圍能夠如此之大。因此，我們的下一個挑戰(zhàn)就是研究章魚如何控制爪子，這樣才能幫助我們打造高度靈活的章魚機(jī)器人。
生物學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：章魚的大腦并不會接受每一個微小的指令，它們大腦上的神經(jīng)元比末梢區(qū)域系統(tǒng)的神經(jīng)元要少得多。因此，生物學(xué)家相信章魚的大腦能夠?qū)幼髯鞒龇磻?yīng)，而低端的動作中心能夠控制更加精確的神經(jīng)肌肉活動。實(shí)驗顯示：即使你控制章魚大腦的神經(jīng)元，它的爪子還是能夠隨著外界的刺激而作出反應(yīng)。
我們還有一個更有趣的發(fā)現(xiàn)：章魚的四肢并不需要完整的指令來作出相應(yīng)的活動。因為經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，章魚的身體已經(jīng)能夠根據(jù)環(huán)境來作出對自己有利的反應(yīng)。這種概念被機(jī)器人學(xué)家稱為“形態(tài)計算（ morphological computation）”，被人工智能研究者稱為“天生智能（embodied intelligence）”。
我們從中得到啟發(fā)：我們要設(shè)計出身體能夠自動根據(jù)環(huán)境反應(yīng)、作出某些動作的機(jī)器人，這樣一來，極度簡單的指令也能夠讓機(jī)器人完成復(fù)雜的任務(wù)。
我們對海洋動物的動作進(jìn)行了研究，并模仿它們的運(yùn)動形式來設(shè)計章魚機(jī)器人。我們發(fā)現(xiàn)，海洋動物在控制每一個四肢的時候都經(jīng)過了多個計算指令，這樣看來，我們的章魚機(jī)器人要控制八只爪子，需要作出大量的計算指令。對于一般的機(jī)器人來說，四肢的每一個自由動作需要一個制動器，但是我們的章魚機(jī)器人擁有自由來應(yīng)用控制策略。
我們決定尊重章魚的進(jìn)化特征，來打造不需要復(fù)雜控制指令的機(jī)器手臂。首先，我們制作了數(shù)學(xué)模型，來測試不同層面的手臂設(shè)計，包括運(yùn)用材料的不同密度、堅硬度、形狀、人造肌肉的放置位置等等，所有這些因素需要結(jié)合水下的環(huán)境來具體問題具體分析。它們會根據(jù)水溫的變化作出何種反應(yīng)？水深和水壓會影響到它們的活動嗎？洋流和漩渦會影響到它們嗎？為了解答這些問題，我們在模型中加入了流體動力學(xué)因素。
于是，我們進(jìn)一步做了實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果非常令人欣喜：要控制章魚機(jī)器人非常簡單，我們能夠模仿真實(shí)海洋動物的活動方式來打造它。我們成功打造了一個章魚機(jī)器人原型，用電纜來取代SMA，用硅樹脂來打造章魚爪，每一只爪子中包含一支鋼制電纜，它能自動拉長或是縮短。爪子的每一個簡單動作都能提供能量。
在我們設(shè)計章魚機(jī)器人的過程中，我們進(jìn)行了大量的成熟計算。但是當(dāng)機(jī)器人真正開始行動時，我們發(fā)現(xiàn)它的構(gòu)造其實(shí)很簡單：只有一只簡單的“大腦”（或是微型控制器）和八只爪子。它的每一個動作，都進(jìn)行了形態(tài)學(xué)計算。
我們將原型叫做PoseiDrone，在它誕生之后，我們將它帶到了地中海，研究了它在完成每一個任務(wù)時的能力，例如一邊抓取著一個物體一邊爬行，或是在游泳的過程中突然張開爪子。我們非常驕傲它能克服海浪的侵?jǐn)_，還能順利地完成任務(wù)。
Via:IEEE Spectrum
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