原文起源：www.liebertpub.com
作者：Rieffel John、 Mouret Jean-Baptiste
「雷克世界」编译：嗯~是阿童木呀、EVA
导语：在天然界中，有些生物体具有优越的柔嫩性和弹性，缘由是它们可以或许将软组织和坚固的骨骼环绕纠缠在一路。而假如将这类灵巧性于弹性付与机械人，可否处理传统刚性机械人的局限性？比来，迷信家们提出了一种易于拆卸的基于张拉全体（tensegrity）的软体机械人，它具有高度静态的活动步态，并在面临物理毁伤的情形下表示出构造和行动的弹性。
生物体将柔嫩的（例如，肌肉）和坚固的（如骨骼）资料环绕纠缠在一路，付与它们在传统刚性机械人（rigid robot）中平日缺少的那种固有的灵巧性和弹性。软体机械人的新兴范畴追求应用这些雷同的特征来发明具有弹性的机械。但是，软资料的性质给设计、建造和掌握方面都带来了相当年夜的挑衅——直到如今，软体机械人的绝年夜多半步态都是经由过程试验的试错法（trial-and-error）来手动设计的。本文引见了一种易于拆卸的基于张拉全体（tensegrity）的软体机械人，它具有高度静态的活动步态，并在面临物理毁伤的情形下表示出构造和行动的弹性。这是经由过程应用一种机械进修算法而完成的，该算法可以或许用起码的物理实验来发明有用的步态。这些成果进一步证明了软体机械人的办法，该办法试牟利用庞杂的资料动力学的互相感化来发生年夜量的静态行动。
与机械分歧的是，植物表示出了极年夜的弹性，其部门缘由是它们将在软组织和坚固的骨骼环绕纠缠在一路。在天然界中，这类柔嫩性激发了一些应用了软系统统动力学的使人注视的行动。例如，章鱼可以或许自顺应地用“关节”塑造他们的四肢，以履行有用的抓握。水母应用它们固有的弹性，在泅水时主动地恢复能量。烟草天蛾毛虫（Manduca sexta caterpillar）有一种具有相似于“内脏活动活塞（visceral-locomotory piston）”感化的中肠，它在四周的软组织之进步行前向滑动，在任何可见的内部变更之前，将它的重心停止前向挪动。
图1：我们的软体张拉全体机械人的概念。（A）第一个涌现于艺术品中的张拉全体构造，与Kenneth Snelson的雕塑一路涌现。（B）它们后来被用于修建，例如Kurilpa桥（澳年夜利亚布里斯班）。（C）比来，张拉全体被以为是活细胞机械转导的优越模子。（D）我们的张拉全体机械人基于碳撑杆和弹簧。它由三个振动器（粘在三个支柱上）驱动，其频率经由过程试错进修算法（资料和办法）停止主动调剂。（E）得益于张拉全体构造和弹簧的服从性，我们的机械人在变形时会坚持其完全性并弹回初始情势。
从天然世界中取得灵感，软体机械人范畴追求经由过程应用合适、灵巧和具有弹性的资料来处理传统刚性机械人的一些局限性。例如，Trimmer等人应用外形记忆合金微线圈驱动（shape memory alloy microcoil actuation）从硅橡胶中构建软体机械人，它可以以受掌握的方法迟缓匍匐，或许以不受掌握的弹道方法转动。与此相似，Whitesides等人的研讨应用了气动充气（pneumatic inflation）来发生迟缓、静态稳固的匍匐活动，和疾速、但受掌握较少的触手式抓取器（tentacle-like gripper）、由熄灭驱动的跳线和一个自力的微流体“章鱼机械人（octobot）”。
虽然软资料机械人有其长处，但它们很难经由过程惯例办法停止掌握。它们是实质上具有没有限的自在度的高维静态体系。供给其吸引力的弹性和可变形性是以共振和组件之间的慎密静态耦合为价值的，这些机能在传统机械人设计的工程办法中常常被防止，或许至多被克制。这类庞杂性消除了很多传统的活动学和逆动力学办法对机械人所应用的掌握。
图2：一切前提的机能设置装备摆设文件。
是以，到今朝为止，年夜多半软体机械人的活动步态都是经由过程试验的试错法来手动开辟的。这一进程既具有挑衅性也耗时，特别是在追求充足应用软体机制的静态庞杂性时。主要的是，这个手动进程也阻拦了这些机械人在情况变更时调剂其掌握战略，例如当它们碰到意想不到的地形时，或许当它们遭到物理破坏时。
在本研讨中，我们引见了一种基于由振动驱动的张拉全体构造的新型软体机械人。像很多其他软体机械人一样，这个张拉全体机械人具有弹性，而且当遭到搅扰或压碎时可以或许抵御破坏。但是，与其他软体机械人分歧的是，这类特别的模块化张拉全体机械人易于构建，易于掌握，并且，因为采取了一种数据高效的强化进修算法，它可以主动发明若何挪动，并在受损时疾速从新进修和调剂其行动。
振动是一种日趋通用的主动化体系无传感器把持和掌握办法。例如，Rezik等人开辟了一个由振动驱动的立体机械手，可以或许对小部件停止年夜范围的散布式立体掌握。在挪动机械人中，由成对振动机电驱动的粘滑磨擦活动（stick-and-slip frictional motion）曾经被运用于各类挪动机械人中。平日，这些办法应用试验获得的手工调谐频率（hand-tuned frequency）来生成活动，应用两种电念头转速的线性插值来腻滑地生成一系列行动。基于振动的活动办法的一个缺陷是，这类类型的振动即便在假定完整分歧的外面时也会惹起弗成猜测的活动，，这对建模和仿真提出挑衅。
张拉全体是绝对简略的机械体系，由很多刚性元件（支柱）构成，经由过程拉伸元件（电缆或弹簧）衔接其端点，并经由过程预应力（prestress forces）的协同互相感化坚持稳固（图1A-C）。除工程学以外，张拉全体的性质曾经在天然界的各个标准上得以展示出来，从人类手臂的腱网（tendinous network）到活细胞的力学转导。在每种尺寸上，张拉全体构造都表示出两个风趣的特点：它们具有使人印象深入的强度与分量比，且它们在构造上具有鲁棒性并可以或许在变形的情形下坚持稳固。另外，与很多其他软体机械人（soft robot）分歧的是，张拉全体构造自己是模块化的（仅由支柱和弹簧组成），是以绝对轻易构建。它们异常简略，可以作为婴儿玩具，并以儿童运动用书为特点，但足够庞杂，可作为下一代美国国度航空航天局行星遨游车的基本。
图3：机械人破坏的试验。（A）破坏的机械人，正如图1中所展现的那样一个弹簧从机械人身上断开衔接。（B）30次实验后的活动速度。中间标志是中位数，框的边沿是第25和第75百分位数（IQR），晶须对应于规模，晶须（whisker）外的点被以为是异常值（这对应于“四分位间规矩”）。每一个前提都应用20次自力的算法停止测试。
关于张拉全体机械人来讲，最多见的掌握办法是迟缓地转变支柱和/或缆索的长度，惹起年夜范围的准静态（而非静态）构造变形，这反过去又使机械人经由过程翻腾和转动停止挪动。由于他们以为这类构造在全部活动进程中绝对较硬，所以这类掌握战略不合适于更加和婉的软张拉全体机械人。别的，它们会招致活动速度变慢。
比来，研讨人员开端研讨关于张拉全体机械人掌握的更多动力学办法。Bliss等人曾经应用中间形式生成器（CPG）来发生模仿的非挪动式张拉全体构造的共振夹带（resonance entrainment）。Mirletz等人曾经应用CPG在模仿的基于张拉全体脊柱的机械人中发生目的导向的行动。然则，这些尽力不管何等有价值，都是在模仿情况中发生的，而且还没有胜利地迁徙到真实世界的机械人中。正如Mirletz等人所指出的那样，张拉全体的静态行动高度依附于它们互相感化的基底——这意味着在模仿情况中所开辟的成果纷歧定可以简略地迁徙到真实的机械人上（在退化机械人学（Evolutionary Robotics）中，这被称为“实际差距”）。
比来，Böhm和Zimmermann开辟了一种由单一震撼电磁铁驱动的，启示于张拉全体的机械人。固然这类机械人不是纯洁的张拉全体（它刚性地衔接了多个线性支柱），但它可以或许经由过程转变振荡器的频率在前向和反向挪动之间停止切换。别的，迷信家门曾经提出将振举措为一种掌握更加柔嫩的机械人的手腕。
图4：张拉全体机械人的无穷制版本。
在本文中，我们摸索了一个假定，即实际世界的软张拉全体机械人的固有共振和静态庞杂性可以被有用地加以应用（而不是被克制），而且，假如获得恰当的鼓励，它便可以发生共识，从而使机械人履行阶梯状（step-like）图案，从而使其可以或许活动。为了验证这一假定，并证实软张拉全体机械人的潜力，我们设计了一个口袋年夜小的软张拉全体机械人，该机械人的参数被调剂为最年夜限制的共振，其目的是在平展地形上尽量快地停止挪动。为了找到适合的振动频率，我们为机械人装备了数据有用的重复实验算法，该算法还使得它可以或许在须要时停止调剂。
软张拉全体机械人具有很高的回复复兴性，易于用现有技巧停止组装，而且可以使用便宜资料停止制作。总之，振动式软张拉全体机械人将软体机械人技巧的年夜部门庞杂性（构建和驱动软构造）从新塑形成一类更加简略的机械人（易于构建和驱动），同时坚持软体机械人的很多具有吸引力的特点，例如，弹性和可变形性。得益于进修算法，我们的原型可以完成年夜于10 cm / s的活动速度（每秒年夜于一个身材长度），并在小于30次实验中进修新的步法，从而使其可以顺应毁伤或新情形。据我们所知，这使其成为最快的软体机械人之一。我们的软张拉全体机械人完成了这类速度，由于它们奇特天时用了张拉全体构造的灵巧性和共振性。以这类方法发明应用灵巧性和共振的办法，为将来的张拉全体构造开拓了新的研讨门路，特殊是当机械设计可以与主动辨认若何掌握共振的机械进修算法联合时，更是如斯。
整体而言，得益于促动器（振动器）、构造（弹簧和支柱）和情况（空中）之间的庞杂互相感化，我们的柔张拉全体机械人得以挪动。这类紧迫行动在所表现的智能实际中占领焦点地位，这注解假如我们勉励身材与“精力”之间的这类深度耦合——此处指掌握器，我们将取得更好更加真切的机械人。但是，正如本文所展现的那样，试错法进修算法为发明这些紧迫行动供给了一种强无力的可行办法。
