揭秘卡耐基•梅陇大学机器蛇

 

曾经力挫群雄，摘得2006机器人世界杯RoboCup的卡耐基梅陇大学，最近在机器人研究领域又取得了新的突破！可不，最近卡耐基梅陇大学下属的生物机器人实验室（Biorobotics Lab of Carnegie Mellon University）忙得不可开交，一批优秀的研究人员正为组建一支机器蛇大军而努力。虽然我们之前也见识过不少蛇形机器人或蛇形的机器手，但是该校的机器人技术研究人员仍然对此乐此不疲，致力于探究各式各样的单任务（single-task）机器蛇发明的可能性。除此之外，他们还研究出了可以适应游水、爬行和攀爬等动作的机器蛇身体构造。在该计划中，同时被提上日程的，还有让机器蛇能够适应各种地形和完成不同的任务——由于机器蛇的移动方式与大多数类人机器人和依靠轮子移动的机器人不同，它的行走不是建立在轮子上或腿上的，因此达到这些目标难度系数会比较小。

从图中不难看出，该机器蛇组装完成后，仍然需要人为控制（注意其尾部的电缆），目前尚无法自动完成任务。仅仅依赖相对简单的工程设定的支持是不够的，要完成有目的的既定动作，需要更加高效的手段来协调机器蛇的活动自由度。归根结底，机器蛇必须在一个多维度的（multi-dimensional）、一对一自由度（one for each degree-of-freedom）的空间中才能完成任务。该实验室研究人员的办法是，利用一个空间的类似缩回结构，使项目的重点从一个多维度的研究问题，简化为一个单维度的研究问题（one-dimensional problem）。这一手段的发明可以追溯到上个世纪。早在1997年，卡耐基梅陇大学的教授Choset，就凭借他在“retract-like structure”领域方面的研究，荣获了美国NFS CAREER AWARD大奖（美国国家科学基金会NSF，该奖是美国NSF基金会授予青年科学家的最高奖，其原名是Young Investigator Award, Presidential Young Investigator Award，又称为美国总统奖）。然而，随着项目的进一步开展，研究人员又认识到这一结构支持仍然不够，因为每一条由此结构生成的路径都必须实现最优化，从而使机器蛇能更轻易的按这些路径前进。自然，面对所有要求最优化的问题，研究人员都必须对付局部的复数。这时，他们不得不求助于复杂的所谓“伦移理论”（homotopy theory），因为在这一理论中“retract-like” 结构正是充当了拓扑图形的作用。同时，通过将自然拓扑的电码译入自由空间结构中，将原本复杂的区域结构简化，从而优化机器蛇的空间判断和动作能力。此外，研究人员已经成功阐述了机器蛇运动的相关函数。

             

机器蛇的运动能力想当出众，你一定会被它惟妙惟肖的动作所折服：无论是原地翻滚，绕着桌脚盘旋上升，还是毫不费力的缠住研究人员的脚，都难不倒它。它甚至还可以像眼镜蛇一样耸起身体——唯一的区别是机器蛇不会吐着红信子。卡耐基梅陇大学的该项研究，旨在研究改进军用机器人，为美国国防部服务，这是历来该校开展科研项目的一种模式。长久以来，在获得政府资金支持的前提下，投桃报李原本是无可厚非的。以机器蛇小巧的身躯和出众的运动能力、独特的运动方式，它非常有潜力成为未来出没于美军战场的超级间谍。不过无心无心插柳柳成荫，也有不少人看好它在家用机器人市场的前景，真是东方不亮西方亮。唯一可以肯定的是，只有等到该大学的研究人员进一步改进，让机器蛇摆脱尾部的连接装置，使其能够独立行动时，届时这个项目才可以说是真正成熟。