专栏首页算法工程师之路踩不死的机器蟑螂,清华研究登上Science子刊

踩不死的机器蟑螂,清华研究登上Science子刊

点击上方“算法工程师之路”,选择“星标”公众号

重磅干货,第一时间送达

本文经机器之心(微信公众号:almosthuman2014)授权转载,禁止二次转载

前段时间,「人类大虐『波士顿动力』机器人」的视频在网上走红,视频中的人用各种重物击打机器人,但却没有造成什么伤害。当然,这只是段打着「Bosstown dynamics」水印的合成视频。现实中的刚性机器人依然非常脆弱,但柔性机器人的耐受力可能要强得多,而且这种机器人一般结构简单、成本较低。最近,来自清华大学和加州大学伯克利分校的研究人员在《Science Robotics》杂志上展示了一个「纸条」形的小机器人,能以每秒 20 倍身长的速度移动,而且还经得起各种碾压和踩踏。

论文地址:https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/32/eaax1594.full.pdf

如图所示,这个原型机器人的尺寸仅 4.5 平方厘米(3 厘米乘 1.5 厘米),体重 64mg。它最大的特点是能经得住研究人员的各种「虐待」。比如,在它身上加个 100g 的砝码:

让一个 119 斤的人踩一脚:

走一个 15.6 度的斜坡(此处用到的机器人尺寸为 1x1.5cm^2,24mg):

背一个 6 倍体重(406mg)的花生:

如此抗压的机器人也就昆虫界的蟑螂可以媲美了。而且,据研究人员介绍,在众多已发表的昆虫体型机器人中,这款机器人的速度是最快的。

构造和行进机制

构造

由于这个机器人非常小,我们利用扫描电子显微镜才能看到其内部构造。

上图左上角是小机器人的横截面扫描电镜图像,从上到下共分为 5 层:其中第一层和第三层都是 50nm 厚的钯金电极(Pd/Au),中间夹着一层 18μm 厚的 PVDF 热塑性层,最下面两层则是 25μm 厚的硅粘合剂和 25μm 厚的 PET 材料。

此外,这个小机器人的下方还有能帮助前行的小脚。

运动机制

当交流电压(低至 8 伏,但通常约 60 伏)通过电极时,其中的 PVDF 热塑性层会发生周期性的伸展和收缩,导致机器人背部弯曲,而底下的小脚会发生移动,如下图所示:

研究人员还将该机器人的运动与蟑螂进行了对比:

尽管形态上比较特别,但与蟑螂类似,这个机器人的运动形态也是波形的。

为了进一步研究小机器人的运动机制,研究人员利用高速摄像机记录了其在 60V、200Hz 正弦交流电下的运动过程。如图所示,在施加交流电的一个周期内,机器人的位置和状态由(I)变到(V)。

状态(I)处的电压是-60V,机器人躯体伸展,前腿触地(ground-touching),腹部悬空(aerial)。1.1 毫秒之后,电压接近 0V,机器人恢复原状,但前腿仍然保持触地状态,腹部也依旧悬空,但与地面的距离略小于(I)。状态(III)处的电压升至 60V,机器人躯体收缩,腿和腹部都保持触地状态。

从状态(I)到状态(III),机器人的身体由伸展状态的近乎扁平到原始的弯曲状态,再到收缩的进一步弯曲状态。这种形状变化使得机器人的脚可以撞击地面,产生前进所需的反作用力。从状态(III)到状态(V),机器人身体发生类似的反向变化。

在高频电压驱动下,再加上多个地面影响因素和人工造成的改变,机器人的精确形状变化和运动相当复杂。然而,通过改变设计和运算参数,可以优化机器人的前进速度。例如,下图展示了在- 60 ~ 60v(黑线)驱动电压下原型机器人的横向位移(红线)和纵向位移(蓝线)实验结果。

下图比较了蟑螂垂直运动的两步循环和本文中的机器人步态相对于时间的关系。

运动分析

我们可以观察到这种机器人在运动中的四个主要姿势:悬空、前触、后触和双触地。在每个姿势中,机器人的身体可以根据当时施加的驱动信号进行伸展或收缩。总共有 8 种可能的配置(如下图所示),其中灰色是先前的形状,红色是当前的形状。在下图中,G、Ff 和 Fa 分别是重力、前腿的反作用力和末端(腹部)的反作用力。机器人的形状周期性地基于 PVDF 致动力而改变,以激发弯曲单压电晶片结构的弹性振荡。前腿和腹部的地面反作用力方向(图中蓝色箭头)会根据机器人的姿势和形状变化而改变。

从高速摄影机拍摄的照片显示了机器人收缩和伸展身体时的步态(从 A 到 D)。

运动速度比较

为了直观地量化这个机器人的速度,研究人员将其与动物和其他机器人进行了对比,如下图所示。

这张图表显示了一些哺乳动物(紫色区域)、节肢动物(橙色区域)和柔性机器人(蓝色区域)相对于其体重的运行速度。对于哺乳动物和节肢动物来说,相对速度与体重成反比:速度随着体重的减少而增加。然而,对于柔性机器人,这种关系似乎是相反的:速度随着体重的下降而降低。但本文中的柔性机器人遵循与动物相似的规律:相对速度随着体重的减少而增加。

图表左上角的数字 39 是 1916 年在加利福尼亚州一块岩石下发现的一种微小的螨。这种螨的大小不到 1 毫米,但它可以以每小时 0.8 公里的速度前进,即每秒 322 身长,使它成为迄今为止地球上最快的陆地动物。如果人的奔跑速度也能达到每秒 322 身长,我们的速度会在每小时 2000 公里左右。图表左上角几乎所有的点都是昆虫的速度标度,这不是巧合,因为随着质量的减少,执行器的作用也成比例地增加。

图表上其他速度与质量比比较显著的机器人是 27 号,这是一个来自 UMD 的磁驱动四足机器人。86 号也很优秀,它是加州大学伯克利分校的 X2-VelociRoACH

除了文中展示的这个小机器人外,研究人员还制作了一个两条腿的原型,它能够在空中停留更多的时间,因此奔跑速度也更快。研究人员表示,像这样的机器人可以用于「环境探测、结构检查、信息侦察和灾难救援」。

这项工作无疑令人印象深刻,其速度和鲁棒性在很大程度上是其他柔性机器人无法比拟的。由于驱动机器人所需的电压相对较低,因此不安装传感器似乎是可能的,如果他们也能在上面安装一些花生大小的传感器,那么实际应用可能很快就会出现。

参考链接:https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/surprisingly-speedy-soft-robot-survives-being-stepped-on

号外,算法刷题群已经建立,但由于人数超出限制,无法扫码添加,可以加号主微信(Leopard7319538)说明来意,可以加入到算法刷题群,每天2道编程题3道概念题,晚9点打卡,我们一起坚持下去!!!

本文分享自微信公众号 - 算法工程师之路(Zleopard7319538),作者:机器之心

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-08-09

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • 这个一瘸一拐的机器人是用树枝搭的,它自己学会了走路

    机器人设计是一个非常繁琐的过程,需要设计者绞尽脑汁地思考并用心维护。所以,这通常要求设计者必须清楚自己想要机器人做哪些事情以及如何使机器人做到这些。

    算法工程师之路
  • RAdam优化器又进化:与LookAhead强强结合,性能更优速度更快

    上周,来自UIUC的中国博士生Liyuan Liu提出了一种兼具Adam和SGD两者之美的新优化器RAdam,收敛速度快,还很鲁棒,一度登上了GitHub趋势榜...

    算法工程师之路
  • 哈希函数和哈希表

    笔者在读研刚开始的时候,偶尔看面经,有这样一个问题:只用2GB内存在20亿个整数中找到出现次数最多的数,当时的我一脸懵逼,怎么去思考,20亿个数?What Th...

    算法工程师之路
  • 独家 | 机器人能拯救福岛核电站吗?

    ---- “据报道,核电公司正使用机器人以更安全、更快速、更高性价比的方案解决世界各地的核退役问题,据预测,从现在到2030年,该产业总值3700亿美元。”—...

    机器人网
  • 机器人出丑,你在笑什么?

    机器人摔跤什么的动静都挺大,只要不影响到人,看上去还是很滑稽的。不管是朝天摔,还是瞎挤番茄酱,对观众而言都不失趣味。 机器人出丑会引人发笑,这是为什么呢?可能...

    机器人网
  • 商业服务机器人破冰

    如今在酒店里,具有聊天功能的迎宾机器人、送餐机器人,越来越常见了。而这些机器人的应用,不只是在酒店行业,在餐厅、商场、银行营业厅等场所,也得到了广泛应用。

    刘旷
  • 娱乐机器人行业:兴于教育,困于教育

    看过《澳门风云3》这部电影的朋友们,一定对剧中的机器人管家——傻强记忆深刻。在电影中,能够斟茶、变形、喷火的傻强,让很多人对娱乐机器人产生了浓厚的兴趣。实际上,...

    刘旷
  • 继续还是离开?物流机器人从业者必读

    根据机器人的应用环境,国际机器人联盟(IFR)将机器人分为工业机器人和服务机器人。其中,工业机器人指应用于生产过程与环境的机器人,主要包括人机协作机器人和工业移...

    老King
  • 机器人运动学和动力学:机器人学究竟有什么不同

    说到智能化设备,首先想到的是机器人与数控加工中心。至于二者,均是工业4.0时代的重要加工媒介和工具,是支撑工业智能化时代的重要组成设备。但是二者的具体区别到底在...

    ZC_Robot机器人技术
  • 怎么看谷歌收购的8大机器人公司 ?

    自20世纪60年代机器人诞生之后,人类的工作和生活因其获得了很大的改变,世界各国也纷纷加大对机器人的投入,以期通过机器人占据制造业的最高端,其中,日本在机器人技...

    机器人网

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券