低功耗混合芯片使小型机器人更有能力

一种受到大脑启发的超低功耗混合芯片，可以帮助手掌大小的机器人具备协作和从经验中学习的能力。结合新一代的低功耗电机和传感器，新的专用集成电路(ASIC) -工作功率为毫瓦-可以帮助智能蜂群机器人工作数小时而不是几分钟。

为了节省电力，芯片使用了一个混合的数字-模拟时域处理器，信号的脉宽编码信息。神经网络集成电路可同时适应基于模型的编程和协同强化学习，可能为小型机器人提供更大的侦察、搜索和救援以及其他任务能力。

佐治亚理工学院的研究人员在2019年IEEE国际固态电路会议(ISSCC)上演示了由独特的asic驱动的机器人汽车。该研究由美国国防高级研究计划局(DARPA)和半导体研究公司(SRC)通过脑启发计算实现自主智能中心(CBRIC)赞助。

佐治亚理工学院电气与计算机工程学院副教授Arijit Raychowdhury说:“我们正试图为这些非常小的机器人带来智能，这样它们就可以了解周围的环境，在没有基础设施的情况下自主移动。”“为了实现这一目标，我们希望将低功耗电路概念引入这些非常小的设备，这样它们就可以自己做决定。对不需要基础设施的小型但有能力的机器人有巨大的需求。”

由Raychowdhury和研究生Ningyuan Cao, Muya Chang和Anupam Golder演示的汽车在一个由橡胶垫地板和纸板块墙包围的竞技场中行驶。在寻找目标的过程中，机器人必须避开交通锥和彼此，在前进过程中从环境中学习，并不断与彼此交流。

这些汽车使用惯性和超声波传感器来确定自己的位置，并探测周围的物体。来自传感器的信息进入混合ASIC，充当车辆的“大脑”。指令随后会传到树莓派控制器，由控制器将指令发送给电动机。

在手掌大小的机器人中，有三个主要系统消耗能量:用于驱动和控制车轮的电机和控制器、处理器和传感系统。在Raychowdhury团队制造的汽车中，低功率ASIC意味着电机消耗了大部分的功率。他说:“我们已经能够将计算能力降低到由电机需求主导预算的水平。”

降低功率，提高效率

该团队正在与合作者合作研究使用微机电(MEMS)技术的电机，其运行功率比传统电机小得多。

“我们想要建立一个系统，在这个系统中，传感功率、通信和计算机功率以及驱动都处于相同的水平，在数百毫瓦的数量级上，”安森半导体电气与计算机工程学院副教授Raychowdhury说。“如果我们能制造出这些手掌大小的机器人，配备高效的电机和控制器，我们应该能够通过几节AA电池提供几个小时的运行时间。我们现在很清楚我们需要什么样的计算平台来实现这一点，但我们仍然需要其他组件来追赶。”

佐治亚理工学院的研究人员受大脑的启发开发了一种超低功耗混合芯片，可以帮助手掌大小的机器人具有协作和从经验中学习的能力。提供:艾莉森·卡特，佐治亚理工学院[/caption]

Raychowdhury说:“你用神经网络中预先确定的一组权重启动系统，这样机器人就可以从一个好的地方开始，而不会立即崩溃或给出错误的信息。”“当你把它部署到一个新的位置时，环境中会有一些结构是它能识别的，还有一些是系统必须学习的。然后，系统将自己做出决定，并衡量每个决定的有效性，以优化其运动。”

增加沟通

机器人之间的通信使它们能够合作寻找目标。

他说:“在协作环境中，机器人不仅需要了解自己在做什么，还需要了解同一组中的其他人在做什么。”“他们会努力使团队的总回报最大化，而不是个人的回报。”

他们的ISSCC演示提供了概念验证，该团队正在继续优化设计，并致力于集成计算和控制电路的片上系统。

Raychowdhury补充道:“我们想让这些小型机器人拥有越来越多的功能。”“我们已经展示了什么是可能的，我们所做的现在需要通过其他创新来增强。”

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