粒子机器人被设计成集群工作

来自麻省理工学院、哥伦比亚大学和其他地方的研究人员已经开发出计算简单的机器人，它们可以成群结队地移动、运输物体和完成其他任务。

这个所谓的“粒子机器人”系统——基于麻省理工学院、哥伦比亚工程学院、康奈尔大学和哈佛大学研究人员的一个项目——由许多独立的圆盘状单元组成，研究人员称之为“粒子”。这些粒子通过周围的磁铁松散地连接在一起，每个单元只能做两件事:膨胀和收缩。(每个粒子收缩时约6英寸，膨胀时约9英寸。)这种运动，经过仔细的计时，允许单个粒子以协调的运动相互推动和拉动。机载传感器使星团被光源吸引。

在一个自然论文中，研究人员展示了一个由24个真实的机器人粒子组成的集群，以及一个多达10万个粒子穿过障碍走向灯泡的虚拟模拟。他们还表明，粒子机器人可以运输放置在它中间的物体。

粒子机器人可以形成多种构型，并能流畅地绕过障碍物，挤过狭窄的缝隙。值得注意的是，这些粒子之间没有直接通信，也没有相互依赖来发挥作用，因此粒子的增加或减少不会对群体产生任何影响。在他们的论文中，研究人员表明，即使许多单元出现故障，粒子机器人系统也可以完成任务。

这篇论文代表了一种思考机器人的新方式，传统上机器人是为一个目的而设计的，由许多复杂的部件组成，当任何一个部件故障时，机器人就会停止工作。研究人员说，由这些简单的组件组成的机器人可以实现更可扩展、更灵活和更健壮的系统。

计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)主任、电气工程和计算机科学安德鲁和埃尔纳·维特比教授丹妮拉·罗斯说:“我们有小型机器人细胞，它们作为个体能力不强，但作为一个群体可以完成很多任务。”“机器人本身是静态的，但当它与其他机器人粒子连接时，突然之间，机器人集体可以探索世界并控制更复杂的动作。有了这些“通用细胞”，机器人粒子可以实现不同的形状、全局转换、全局运动、全局行为，而且，正如我们在实验中展示的那样，可以跟随光的梯度。这是非常强大的。”

参与Rus论文的有:第一作者李曙光，CSAIL博士后;共同第一作者Richa Batra和通讯作者Hod Lipson，都是哥伦比亚工程公司;康奈尔大学的David Brown, Hyun-Dong Chang和Nikhil Ranganathan;以及哈佛大学的查克·赫伯曼。

在麻省理工学院，罗斯近20年来一直致力于模块化、互联机器人的研究，其中包括一种可以伸缩的立方体机器人，这种机器人可以与其他机器人连接起来四处移动。但是正方形的形状限制了机器人的群体运动和配置。

李普生曾在李普生实验室做博士后，2014年来到麻省理工学院。在与李普生实验室的合作中，研究人员研究了一种可以相互旋转的圆盘状机制。它们也可以相互连接和断开，并形成许多配置。

为机器人编程

粒子机器人的每个单元都有一个圆柱形底座，底座上装有电池、小型电机、检测光强度的传感器、微控制器和发送和接收信号的通信组件。顶部是一种儿童玩具，名为赫伯曼飞行环(Hoberman Flight Ring)——它的发明者是这篇论文的合著者之一——由连接成圆形的小面板组成，可以拉动膨胀，向后推收缩。两块小磁铁安装在每个面板上。

诀窍在于编程机器人粒子以精确的顺序膨胀和收缩，将整个粒子群推向目标光源。为了做到这一点，研究人员为每个粒子配备了一种算法，该算法可以分析来自每个其他粒子的关于光强度的广播信息，而不需要直接的粒子间通信。

粒子的传感器检测光源发出的光的强度;粒子离光源越近，强度越大。每个粒子不断地发出信号，与所有其他粒子分享其感知到的强度水平。假设一个粒子机器人系统在1到10级的范围内测量光强度:最靠近光的粒子记录为10级，最远的粒子记录为1级。强度水平反过来又对应于粒子必须膨胀的特定时间。经历最高强度(10级)的粒子首先膨胀。当这些粒子收缩时，下一个粒子，即第9级，会膨胀。这种适时的扩张和收缩运动发生在随后的每一层。

提供:麻省理工学院

“这就产生了一种机械的扩张-收缩波，一种协调的推动和拖动运动，将一个大的星系团推向或远离环境刺激，”李说。

Li补充说，关键部分是粒子之间共享同步时钟的精确计时，使运动尽可能有效:“如果你搞砸了同步时钟，系统的工作效率就会降低。”

在视频中，研究人员演示了一个粒子机器人系统，该系统由真实的粒子组成，它们在打开灯泡时移动并改变方向，并通过障碍物之间的缝隙。在他们的论文中，研究人员还表明，即使有多达20%的单元失效，由多达10,000个粒子组成的模拟集群也能以其一半的速度保持运动。

“这有点像众所周知的‘灰色粘性物’，”哥伦比亚工程学院(Columbia engineering)机械工程教授利普森(Lipson)说，他指的是由数十亿个纳米机器人组成的自我复制机器人的科幻概念。“关键的新奇之处在于，你有了一种新型机器人，它没有集中控制，没有单点故障，没有固定的形状，它的组件也没有唯一的身份。”

利普森说，下一步是将这些部件小型化，制造出由数百万个微观粒子组成的机器人。

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程机器人的故事．

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