?無腦”機(jī)器人穿越迷宮是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

點(diǎn)擊下方卡片，關(guān)注“新機(jī)器視覺”公眾號(hào)

視覺/圖像重磅干貨，第一時(shí)間送達(dá)

機(jī)器人穿越迷宮是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典問題，它涵蓋了機(jī)器人的導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和決策等多個(gè)方面。

在軟機(jī)器人領(lǐng)域，自主迷宮導(dǎo)航對(duì)于探索先驗(yàn)未知的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境來說很有吸引力，但也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗ǔＰ枰惾说拇竽X，集成機(jī)載電源、傳感器和控制以實(shí)現(xiàn)計(jì)算智能。

然而，你是否聽說過一種無需人類指引也無需計(jì)算機(jī)指導(dǎo)便能穿越簡(jiǎn)單迷宮的機(jī)器人？

近日，《科學(xué)進(jìn)展》期刊上刊登了一篇題為“物理智能自主軟機(jī)器人迷宮逃生者”研究報(bào)告，介紹了一種智能軟體機(jī)器人。

這種機(jī)器人具有獨(dú)特的本領(lǐng)，能夠在不需要類人的大腦和計(jì)算機(jī)指引的前提下，從多通道迷宮、沙地迷宮、出口比軟機(jī)器人身體尺寸更窄的迷宮、具有原位變化布局的動(dòng)態(tài)迷宮等不同具有挑戰(zhàn)性的迷宮中自我逃脫。

那么，這種智能軟體機(jī)器人究竟是如何實(shí)現(xiàn)自我逃脫的呢？接下來，和機(jī)器人大講堂一同深入了解這個(gè)問題吧！

▍自導(dǎo)航混合螺旋 LCE 帶狀軟機(jī)器人

通常來講，軟體機(jī)器人自主性的實(shí)現(xiàn)主要包括兩種途徑。

一種常見的方法是依靠集成車載電源[例如電池、氣泵或壓縮氣體儲(chǔ)罐 ]、控制裝置 [例如微控制器]、機(jī)械邏輯閥、傳感器[例如壓力或觸覺傳感器 ]，以實(shí)現(xiàn)可控的致動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。

另一種策略則是使用遠(yuǎn)程磁或光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)來控制不受束縛的軟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，但這種方法需要外部協(xié)助來操縱磁場(chǎng)或光源來引導(dǎo)機(jī)器人被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，軟體機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)完全自主化運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)然，也有研究人員曾提出利用液晶彈性體、水凝膠、尼龍纖維等可以吸收周圍環(huán)境的熱量或光，且可執(zhí)行滾動(dòng)、爬行、游泳等簡(jiǎn)單定向自主運(yùn)動(dòng)的熱響應(yīng)活性材料制成軟體機(jī)器人的想法。但受限于智能性的缺乏和有障礙復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的無法自我適應(yīng)，以該想法為基礎(chǔ)的機(jī)器人樣本此前仍處于不成熟階段，需就自主性提升進(jìn)行進(jìn)一步探索。

近日，北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員提出一種設(shè)計(jì)自主智能軟體機(jī)器人的物理智能（PI）的替代范式，即通過利用智能材料的材料智能和新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械智能來實(shí)現(xiàn)自我感知、驅(qū)動(dòng)、控制、適應(yīng)和決策，無需外部計(jì)算或傳感器，并在此基礎(chǔ)上制造了一種自導(dǎo)航混合螺旋 LCE 帶狀軟機(jī)器人，可以在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化受限環(huán)境（例如多通道迷宮）中自主機(jī)動(dòng)，且無需人工干預(yù)或外部控制。

據(jù)了解，該機(jī)器人是該團(tuán)隊(duì)在去年研制的液晶彈性體（LCE）螺旋自主智能機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)的版本（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 119, e2200265119，2022），主要由一種可以吸收熱源而轉(zhuǎn)化為自身動(dòng)能的智能材料液晶彈性體構(gòu)成，可以從環(huán)境中收集熱能，用于自供電滾動(dòng)、自轉(zhuǎn)向和自避障。

當(dāng)機(jī)器人放置在溫度至少為 55° 攝氏度（131°華氏度）的表面（比周圍空氣更熱）時(shí)，色帶接觸表面的部分會(huì)收縮，而色帶暴露在空氣中的部分則收縮，并呈不對(duì)稱圓錐扭曲形狀。不對(duì)稱的形狀的智能材料使得軟體機(jī)器人在遇到墻壁時(shí)能夠主動(dòng)自我轉(zhuǎn)動(dòng)并自我反射其運(yùn)動(dòng)以逃離迷宮。

但由于此前版本的機(jī)器人缺乏主動(dòng)和持續(xù)的自我轉(zhuǎn)向能力，因此只能在同一地點(diǎn)的兩個(gè)墻之間來回彈跳，被困在兩個(gè)平行墻組成的簡(jiǎn)單有限空間（典型迷宮中的典型場(chǎng)景）中。

為了解決機(jī)器人在處理更復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境時(shí)仍然存在巨大的局限，賦予機(jī)器人逃離迷宮所必須滿足的基本策略和要求，研究人員選擇棄用此前版本的對(duì)稱設(shè)計(jì)，嘗試為機(jī)器人賦予主動(dòng)自轉(zhuǎn)向能力、路徑自調(diào)整能力、試錯(cuò)搜索能力。

新機(jī)器人有兩個(gè)不同的半部。機(jī)器人的一半形狀像一條沿直線延伸的扭曲絲帶，而另一半形狀像一條更緊密扭曲的絲帶，也像螺旋樓梯一樣圍繞自身扭曲。由于其不對(duì)稱設(shè)計(jì)，新機(jī)器人無需接觸物體即可轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)接觸到物體時(shí)，新機(jī)器人可以改變方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在迷宮中導(dǎo)航。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員久新軟機(jī)器人穿越更復(fù)雜的迷宮（包括具有移動(dòng)墻壁的迷宮）并適應(yīng)比其身體尺寸更窄的空間進(jìn)行了展示，并在金屬表面和沙子上測(cè)試了新的機(jī)器人設(shè)計(jì)。

▍自主逃離迷宮

基于自滾動(dòng)帶中未發(fā)現(xiàn)的主動(dòng)自轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制，研究人員利用其智能自逃能力從復(fù)雜的有限空間中，例如熱表面（120°C）上具有不同復(fù)雜程度的通道迷宮。通道迷宮是通過在矩形有限空間中添加一些隔斷墻而構(gòu)建的，出口位于右下角。隔斷墻的設(shè)計(jì)目的是創(chuàng)建一定數(shù)量的小通道子空間，這些子空間可能會(huì)將新軟機(jī)器人困在里面并增加自我逃逸的難度。壁之間的距離設(shè)置為大于樣本（新軟機(jī)器人）長(zhǎng)度，以允許其在內(nèi)部自動(dòng)滾動(dòng)。每個(gè)樣本（新軟機(jī)器人）被隨機(jī)放置在距離出口至少3次的通道中，以測(cè)試它們的自逃能力，記錄它們的運(yùn)動(dòng)軌跡和逃逸持續(xù)時(shí)間。

圖 . 機(jī)器人從簡(jiǎn)單迷宮中自我逃脫，在熱表面上有兩個(gè)隔墻的兩種不同布局。

（A和B）在迷宮中自我逃脫時(shí)選擇的延時(shí)圖像，迷宮有兩個(gè)平行的隔墻（A）和兩個(gè)由對(duì)齊的玻璃瓶制成的直角墻（B）。在 (A) 中，兩個(gè)隔斷墻將迷宮分為六個(gè)水平（黃色）和垂直（藍(lán)色）通道子空間，以潛在地捕獲新軟機(jī)器人。出口位于右下角。起點(diǎn)是在遠(yuǎn)離出口的地方隨機(jī)選擇的。右欄顯示了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)軌跡示意圖。熱表面溫度為120°C

首先，研究人員從簡(jiǎn)單的迷宮開始，具有較少的隔墻（例如，內(nèi)襯玻璃瓶或薄木板）和較少的通道。圖（A 和 B）展示了熱表面（120°C）上的簡(jiǎn)單迷宮的三種設(shè)計(jì)，其中兩個(gè)隔墻分別平行放置、L形放置和彼此垂直放置。對(duì)于所有三種設(shè)計(jì)，兩個(gè)隔斷墻將矩形有限空間劃分為總共六個(gè)水平（“=”）和垂直（“||”）通道子空間，由兩個(gè)平行的面對(duì)墻形成，沒有任何分隔物，標(biāo)記為圖中的黃色和藍(lán)色區(qū)域。例如，對(duì)于圖A中的設(shè)計(jì)，它有三個(gè)“||” 由一對(duì)編號(hào)的垂直壁 6-1'、6-2' 和 1'-3 形成的通道子空間以及由水平壁 1-5、2-5 和 2-4 組成的三個(gè)“=”通道子空間。

此外，在1'和2'的分隔壁的開口端與5和2的相對(duì)壁之間也可能出現(xiàn)類似的電勢(shì)陷阱，圖中用紫色區(qū)域標(biāo)記。正如預(yù)期的那樣，由于在達(dá)到熱平衡后失去了主動(dòng)自轉(zhuǎn)動(dòng)能力而沒有解扭，因此扭曲帶和螺旋帶很容易通過卡扣和被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)在壁之間反復(fù)來回彈跳而被困在通道子空間內(nèi)甚至超過2小時(shí)，使得自我逃離這三個(gè)簡(jiǎn)單的迷宮非常具有挑戰(zhàn)性。

相比之下，對(duì)于新軟機(jī)器人，它的鋸齒狀彎曲路徑在折斷前后具有相反的自轉(zhuǎn)向方向，大大增加了逃跑的機(jī)會(huì)。因此，憑借這種幾何不對(duì)稱引起的連續(xù)主動(dòng)自轉(zhuǎn)向能力，隨機(jī)放置在三個(gè)迷宮不同起始位置的新軟機(jī)器人總能通過自折斷和被動(dòng)轉(zhuǎn)向相結(jié)合找到自我逃生的出路。

根據(jù)迷宮的起始位置和設(shè)計(jì)，其自逃持續(xù)時(shí)間可能從大約 7 分鐘到接近 1 小時(shí)不等，軌跡明顯簡(jiǎn)單到復(fù)雜（隨機(jī)放置在三個(gè)迷宮不同起始位置的新軟機(jī)器人，通過結(jié)合自動(dòng)折斷和被動(dòng)轉(zhuǎn)向，總能找到出路并自行逃脫。根據(jù)迷宮的起始位置和設(shè)計(jì)，其自逃持續(xù)時(shí)間可能從大約 7 分鐘到接近 1 小時(shí)不等，軌跡明顯簡(jiǎn)單到復(fù)雜（隨機(jī)放置在三個(gè)迷宮不同起始位置的新軟機(jī)器人，通過結(jié)合自動(dòng)折斷和被動(dòng)轉(zhuǎn)向，總能找到出路并自行逃脫。根據(jù)迷宮的起始位置和設(shè)計(jì)，其自逃持續(xù)時(shí)間可能從大約 7 分鐘到接近 1 小時(shí)不等，軌跡明顯簡(jiǎn)單到復(fù)雜。

▍沙子表面測(cè)試

研究人員在更具挑戰(zhàn)性的顆?；|(zhì)上對(duì)新軟機(jī)器人從簡(jiǎn)單的迷宮中自行逃脫進(jìn)行了測(cè)試，例如圖A熱表面（120°C）上的松散沙子。與光滑且堅(jiān)硬的熱表面相比，由于流體狀的沙粒，顆粒狀基底使得壁面的運(yùn)動(dòng)反射很難捕捉。

研究人員發(fā)現(xiàn)，扭曲的絲帶在靠墻的沙子上自滾時(shí)就失去了折斷能力，因?yàn)樗倪吔缦竦镀粯愉h利，兩端扎入沙子里很容易被卡住，折斷非常困難。相比之下，螺旋帶和新軟機(jī)器人的光滑螺旋形狀都有助于防止沙鉆，從而表現(xiàn)出比扭曲帶更好的折斷性能，而與剛性表面相比，它需要更長(zhǎng)的捕捉時(shí)間，為150到250毫秒。

盡管螺旋帶保留了折斷能力，但由于缺乏持續(xù)主動(dòng)的自轉(zhuǎn)向能力，它無法從沙子上的簡(jiǎn)單迷宮中自我逃脫。對(duì)于新軟機(jī)器人，在沙子上比在剛性表面上自逃逸需要大約12至50分鐘的時(shí)間。

圖 . 機(jī)器人從松散沙子上的簡(jiǎn)單迷宮中折斷并自我逃脫。

( A ) 在沙子迷宮中自我逃脫時(shí)選擇的延時(shí)圖像，迷宮有兩個(gè)垂直的木板墻。原理圖如右圖所示。( B ) 扭曲的絲帶卡在沙子里，無法彈斷。( C和D ) 螺旋 (C) 和混合 (D) 樣品在沙子上的突彈過程。熱表面溫度為120°C。

為了增加迷宮的復(fù)雜性，研究人員還在矩形的有限空間中引入了更多數(shù)量的分支隔墻（例如六個(gè)薄木板墻）。如下圖所示，兩個(gè)復(fù)雜的迷宮具有大約11和12個(gè)劃分的水平和垂直通道子空間，用于潛在地捕獲兩壁之間的自滾動(dòng)帶。

此外，它創(chuàng)建了隔斷墻的五個(gè)開放端（下圖C中的紫色區(qū)域）。開口端將有利于新軟機(jī)器人的折斷和被動(dòng)自轉(zhuǎn)動(dòng)，這些開口端進(jìn)一步增加了通過在兩個(gè)開口端之間或者在一個(gè)開口端與一墻之間來回彈跳而被困的機(jī)會(huì)，如下圖D所示，使得復(fù)雜的迷宮更難以逃脫。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有新軟機(jī)器人能夠成功逃離兩個(gè)復(fù)雜的迷宮，而其他兩條扭曲的螺旋帶則被永久困住。下圖（E和F）顯示了兩個(gè)復(fù)雜迷宮中跟蹤的自逃軌跡。需要更長(zhǎng)的自逃持續(xù)時(shí)間（超過 1 小時(shí)）才能逃離上述墻壁和開放端墻壁之間的潛在陷阱場(chǎng)景。

圖 . 新軟機(jī)器人從復(fù)雜的迷宮中自我逃脫，在熱表面上有六個(gè)隔墻的兩種不同布局。

( A和B ) 電影 S9 中迷宮 1 (A) 和迷宮 2 (B) 的圖像。六個(gè)隔墻將兩個(gè)迷宮分別劃分為 9 個(gè)和 12 個(gè)水平和垂直通道子空間。( C和D ) (A) 和 (B) 中迷宮子空間的組合示意圖。( E和F ) 從 (A) 和 (B) 中的出口出發(fā)的隨機(jī)起點(diǎn)（用星號(hào)表示）對(duì)應(yīng)的逃逸軌跡。熱表面溫度為120°C。

▍金屬表面測(cè)試

為了進(jìn)一步挑戰(zhàn)新軟機(jī)器人的迷宮逃脫能力，研究人員探索了更困難的場(chǎng)景——分隔壁和出口處都有狹窄間隙的迷宮。為簡(jiǎn)單起見，研究人員將此場(chǎng)景分解為兩個(gè)概念驗(yàn)證演示：一個(gè)涉及一個(gè)簡(jiǎn)單的封閉矩形圍墻空間，具有狹窄的出口間隙（比身體長(zhǎng)度小約 28.6%；下圖C），另一個(gè)具有多通道迷宮墻壁之間有相同大小的狹窄間隙，但出口很寬（下圖D）。新軟機(jī)器人被隨機(jī)從出口處扔下，并嘗試逃跑 3 次。在第一個(gè)演示中，它必須依靠捕捉和主動(dòng)轉(zhuǎn)彎來精確定位并到達(dá)出口（即一半以上的身體面向出口），需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（1小時(shí)25分鐘）和以下由于難度增加，復(fù)雜的軌跡（下圖E ）。在第二個(gè)演示中，迷宮由兩個(gè)由狹窄間隙隔開的窗格組成，并通過水平墻進(jìn)一步劃分。值得注意的是，對(duì)于新軟器人來說，定位間隙是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，新軟機(jī)器人只需要導(dǎo)航幾次（位置 1 和 2 一次，位置 3 三次；下圖F）。成功逃脫的持續(xù)時(shí)間在約 30 至約 100 分鐘之間變化（下圖F、下圖F）。

圖 . 自我導(dǎo)航穿過簡(jiǎn)單的密閉空間和間隙狹窄的迷宮。

( A )新軟機(jī)器人（長(zhǎng)，10.5 厘米）穿過狹窄的間隙（寬，7 厘米）。( B ) 新軟機(jī)器人從具有狹窄間隙的平行有限空間中自行逸出。（C和D）圖像：一個(gè)封閉的密閉空間，出口處有一個(gè)狹窄的間隙（C），中間是一個(gè)四室迷宮，中間的墻壁之間有一個(gè)狹窄的間隙（D）。( E和F ) 從隨機(jī)起點(diǎn)（用星號(hào)表示）遠(yuǎn)離 (C) 和 (D) 中出口的相應(yīng)逃逸軌跡。熱表面溫度為120°C。

最后，為了進(jìn)一步證明新軟機(jī)器人的逃脫多功能性，研究人員引入了一個(gè)動(dòng)態(tài)迷宮，其特征是原位改變模式，每 5 分鐘在兩種不同布局之間切換。（下圖A 和 Bi）顯示了初始迷宮布局，其中①和③區(qū)域開始時(shí)是封閉區(qū)域，大門關(guān)閉，而區(qū)域②則有大門打開。5分鐘后，轉(zhuǎn)變?yōu)橄?/span>圖Bii所示的不同布局，其中①和③區(qū)域成為開放區(qū)域，大門打開，而②區(qū)域則變成封閉區(qū)域。

迷宮圖案每 5 分鐘動(dòng)態(tài)變化一次，無論機(jī)器人的瞬時(shí)位置如何，迷宮門都會(huì)定期打開和關(guān)閉。如下圖C所示一樣，機(jī)器人被隨機(jī)放置在初始封閉區(qū)域①中。與之前的靜態(tài)迷宮不同，這種動(dòng)態(tài)迷宮不僅要求軟機(jī)器人找到正確的路徑，還要準(zhǔn)確地計(jì)時(shí)其運(yùn)動(dòng)，這給逃脫過程帶來了額外的困難。盡管偶爾會(huì)被困在暫時(shí)封閉的區(qū)域，但新軟機(jī)器人仍以原地變化的模式成功逃離迷宮，展示了其顯著的迷宮逃生能力。

圖 . 新軟機(jī)器人從具有原位變化圖案的迷宮中自我逃脫。

( A ) 迷宮初始圖案的圖像。( B ) 迷宮每 5 分鐘改變一次 (i) 和 (ii) 之間的模式。在 (i) 中，區(qū)域 ① 和 ③ 中的門（橙色條）關(guān)閉，而區(qū)域 ② 中的門打開。在(ii)中，門在區(qū)域①和③中打開，在區(qū)域②中關(guān)閉。( C ) 區(qū)域①中隨機(jī)起點(diǎn)（用星號(hào)表示）對(duì)應(yīng)的逃逸軌跡。熱表面溫度為120°C。

▍結(jié)語

盡管這項(xiàng)工作填補(bǔ)了重要的知識(shí)空白，并解決了研究人員之前基于扭曲 LCE 帶狀自主軟機(jī)器人研究的局限性，卻同時(shí)也仍然存在一些局限性。在測(cè)試中設(shè)計(jì)的復(fù)雜迷宮中雖然有許多潛在的陷阱子空間，但它們的復(fù)雜性仍然低于具有更復(fù)雜路徑和墻壁的常規(guī)迷宮。

來源：機(jī)器人大講堂

聲明：部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，僅供讀者學(xué)習(xí)、交流之目的。文章版權(quán)歸原作者所有。如有不妥，請(qǐng)聯(lián)系刪除。