可立即对应意外故障的仿“海蛇尾”机器人——用简单数式表现海蛇尾的复杂动作

新技术 2017年12月20日

由东北大学电气通信研究所的石黑章夫教授、加纳刚史副教授、同大学大学院医学系研究科的松坂义哉讲师(现东北医科药科大学教授)和北海道大学电子科学研究所的青沼仁志副教授等人组成的研究小组,成功开发出世界上第一个能“即时”对应意外故障的仿“海蛇尾”移动的机器人。此研究成果于2017年12月13日在英国科学杂志Royal Society Open Science电子版上发表。

近年,人们对移动机器人在灾害现场、宇宙环境等人类无法到达的恶劣环境下的正常运行给予了厚望。但多数机器人可能只因一个小的故障就会影响整体,丧失功能。对于这一问题,一般的对策方法是预测可能发生的故障,做出应对方案,但对于意外出现的故障却无法“即时”对应。另一种方法是通过不断地自我学习来对应发生的故障。此方法虽然应对意外故障有一定成效,但由于计算量大,往往需要数十秒以至数分钟。因而,移动机器人的“即时”对应意外故障的方法还未被确定。

移动机器人在维持移动能力,使其在未知的实际环境下活动时,“即时”对应故障的能力不可或缺。但是,现有机器人在应对意外故障时却需要数十秒到数分钟的时间。为解决这个问题,研究小组将目光移向有惊人的耐故障性能力的原始棘皮动物——“海蛇尾”。虽然海蛇尾没有像大脑那样担当高度情报处理的中枢神经,只有被称为“放射神经”的单纯神经系统,但是5根柔软的腕可以适当地互相配合,推动前进。当受到外敌袭击等原因而失去某一根或几根腕的时候,剩余的腕仍然能“即时”地相互协调,继续前进。

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图(a)海蛇尾推进示意图 (b)仿海蛇尾机器人推进示意图(图片来源:新闻稿)

根据对被切除或截短了腕的海蛇尾的观察结果,此研究设计了“各个腕仅受到与前进方向相反的作用力时蹬地”这种极简单的数式记述的自律分散控制方法,用于仿海蛇尾机器人,实现了机器臂无论怎么损坏也能维持继续移动。而且由于不使用现有机器人的集中控制策略,意外故障发生时所需的计算量小,所以可实现“即时”对应、维持移动的功能。这种控制手法有望为具有“即时”对应意外故障的高适应能力机器人的开发开辟出新道路。

此研究成果,不仅为对应各种预想外故障的高级机器人的研制提供了基础依据,也为在灾害现场等恶劣环境下自如移动的机器人的问世带来希望。另外,此研究还具有生物学意义,为还未解明的动物身体受到损害时的适应机制问题提供了重要的知识,为发现动物“即时”适应能力的原理带来了希望。

文/ 客观日本编辑部

相关论文
Takeshi Kano, Eiki Sato, Tatsuya Ono, Hitoshi Aonuma, Yoshiya Matsuzaka, and Akio Ishiguro. A Brittle Star-like Robot Capable of Immediately Adapting to Unexpected Physical Damage, Royal Society Open Science.(DOI:10.1098/rsos.171200)

相关链接(日语)
可“即时”对应意外故障的仿海蛇尾移动的机器人<新闻稿>[PDF]

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