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北卡州立尹杰、蘇浩團隊 Sci. Adv.：物理智能軟機器人自發(fā)逃離迷宮
2023-09-12  來源：高分子科技

  自主逃離迷宮對于軟體機器人來說是一個有趣且非常有挑戰(zhàn)性的課題。迷宮通常用來衡量與測試機器人對周圍環(huán)境的處理、計算以及應變能力，一定程度上反應了機器人的智能水平，從而用于探索未知的復雜環(huán)境。挑戰(zhàn)性在于軟體機器人通常需要在其柔軟身體上集成動力、傳感器和控制等硬件來實現(xiàn)類似人腦的決策以及執(zhí)行功能。目前軟體機器人逃離迷宮往往是通過兩種途徑來完成：一種是通過人為操作機器人逃離，比如通過遠程控制外加磁場或者光源，可以實現(xiàn)無牽引軟機器人，但無法讓軟機器人自我決定運動路徑，從而缺乏智能。另一種則是通過機載的電源和控制器來完成。這種方式也有弊端，比如結構以及控制復雜，無法自主求解復雜迷宮等等。



  最近，來自美國北卡州立大學的尹杰和蘇浩團隊提出了一種新的解決思路 - 利用智能材料（液晶彈性體）和獨特結構（幾何非對稱扭帶），設計了一款具有物理智能的“無腦”自主逃離迷宮的軟體機器人。該機器人可以在環(huán)境熱源的驅動下，自主逃離各種挑戰(zhàn)性迷宮，比如單通道迷宮單元（圖1），多通道迷宮（圖2）、沙子上的迷宮、狹窄縫隙迷宮（圖3），甚至是隨時間變化迷宮圖案的動態(tài)迷宮（圖4）。該工作以“Physically intelligent autonomous soft robotic maze escaper”為題近日在線發(fā)表于Science Advances雜志上。

 

  與傳統(tǒng)的基于處理器計算控制的具備“大腦”的機器人相比，該軟體機器人不再需要“大腦”，也就是不需要任何電子設備和計算機控制，可以依靠自身的材料智能 - 液晶彈性體，一種熱源或光源響應的活性軟材料，與結構智能相結合 - 兩端具有扭轉和螺旋形狀的不對稱幾何扭帶結構，由環(huán)境熱能來自我驅動滾動與路徑抉擇。該軟體機器人可以與周圍環(huán)境以及障礙物進行交互式互動與作用，來實現(xiàn)自我感知障礙物，自我避障、以及自我路徑選擇與決定等功能。


  這種軟體機器人是基于該團體之前的幾何對稱設計進行了改進和提高，使得軟體機器人具有結構不對稱性。紐帶狀軟體機器人兩端不對稱性賦予了其新增內置主動和持續(xù)自轉彎能力，同時保有原有設計中碰到障礙物時，自發(fā)突跳反向或繞障礙物旋轉功能。這兩種自發(fā)功能的加持使得該軟體機器人實現(xiàn)了獨特的曲線行走路徑，自主轉彎以及避障，從而大大增強了逃逸迷宮陷阱的死循環(huán)能力，可以輕松逃離各種多通道靜態(tài)以及動態(tài)迷宮，甚至是在沙地上的迷宮等。與之形成鮮明對比的是，對稱性軟體機器人由于缺乏持續(xù)自主轉彎能力，導致其甚至會完全陷入最簡單的迷宮基本單元 - 由兩堵平行墻組成的單通道受限空間，在兩堵墻之間來回突跳與滾動而無法逃逸，更不用說更為復雜的多通道迷宮，從而深陷其中無法逃離。 


圖1：結構對稱與非對稱扭帶狀軟機器人自主逃逸單通道迷宮單元對比。 


圖2：軟體機器人自主逃逸復雜迷宮 


圖3：軟體機器人穿過狹縫以及逃離具有狹縫的迷宮 


圖4：軟體機器人逃離隨時間變化的迷宮


  該文章的第一作者為北卡州立大學機械航空系的博士后趙耀。通訊作者是北卡州立大學機械航空系的尹杰副教授和蘇浩副教授。文章的其他作者包括博士生洪堯燁、漆方杰、清海濤，以及博士后李艷濱。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi3254

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（責任編輯：xu）
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