北京航空航天大學(xué)文力教授課題組在《科學(xué)通報》發(fā)表評述文章“軟體機(jī)器人的仿生物理智能”,闡述了自然界生物在材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面的物理智能特征及其原理,介紹了實現(xiàn)軟體機(jī)器人仿生物理智能的目的及關(guān)鍵技術(shù)與方法,并列舉了其典型應(yīng)用,最后對其未來發(fā)展及挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。論文的第一作者為北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院博士生王世強(qiáng)。
隨著機(jī)器人從工廠、倉庫等高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境進(jìn)入千家萬戶以及深海、太空、人體體內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境中,它們需要在動態(tài)和不確定性的環(huán)境中執(zhí)行多種任務(wù),并與人交互,這些需求對機(jī)器人的智能化提出了較高的要求。智能體的智能不僅包括大腦中的計算智能(computational intelligence),還包括編碼在身體中的物理智能(physical intelligence),以及將二者緊密耦合在一起的嵌入智能(embodied intelligence)。物理智能作為一種新的范式,有望使未來的機(jī)器人研究不僅僅局限于計算智能,同時挖掘探索蘊(yùn)藏在機(jī)器人身體中的巨大潛力。
仿生物理智能的基本概念
【資料圖】
自然界生物的物理智能及其原理
諸如海參、捕蠅草、章魚等生物在材料、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等要素方面均具有獨特的物理智能。材料方面,生物體幾乎都由復(fù)合材料構(gòu)成,具有刺激響應(yīng)性、變剛度、自愈合等智能特性;雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、折紙結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu)也廣泛地存在于自然界的生物中;同時,環(huán)境自適應(yīng)的形態(tài)使生物能夠克服固定形態(tài)所帶來的限制,擴(kuò)大活動范圍并快速躲避捕食者。
軟體機(jī)器人實現(xiàn)仿生物理智能的目的及方法
通過融合仿生物理智能, 軟體機(jī)器人有望達(dá)到以下四個核心目的。
降低控制成本:生物系統(tǒng)通常不僅僅依靠大腦來控制自己的身體,而是將部分控制交付于身體本身。通過材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)三方面的合理結(jié)合,軟體機(jī)器人可以根據(jù)環(huán)境的狀態(tài)變化自適應(yīng)地做出機(jī)械響應(yīng),減少了對傳感器和控制算法的依賴。
提高系統(tǒng)響應(yīng)速度:通過純機(jī)械反饋的被動響應(yīng),軟體機(jī)器人可以避免因傳感和控制信號的傳輸和處理所造成的延遲,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
提高極端環(huán)境下的魯棒性:在諸如深海、太空、核電站等極端環(huán)境中,高溫、高壓、輻射等惡劣條件可能會阻礙電子器件的運(yùn)行,使得計算智能無法發(fā)揮作用。在此種情況下,物理智能將是機(jī)器人智能化的重要選擇。
使微型機(jī)器人智能化:自然界中個體微小的單細(xì)胞生物由于沒有神經(jīng)元,不具備神經(jīng)系統(tǒng),因此其智能完全取決于物理智能。宏觀尺度下的獨立的傳感器、驅(qū)動器和控制器等組件在微尺度下實現(xiàn)和集成具有挑戰(zhàn)性。開發(fā)微型機(jī)器人的有效策略是用物理智能部分甚至完全替代計算智能。
自然界中的動物和植物依靠材料、結(jié)構(gòu)和形態(tài)這三大身體要素實現(xiàn)了豐富多樣的智能行為。受此啟發(fā),軟體機(jī)器人可以利用智能材料(如液晶彈性體、介電彈性體、形狀記憶合金、水凝膠等)、智能結(jié)構(gòu)(如折紙結(jié)構(gòu)、剪紙結(jié)構(gòu)、多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、超材料等)和智能形態(tài)(如仿生形態(tài)、自適應(yīng)形態(tài)等)實現(xiàn)其物理智能。
軟體機(jī)器人實現(xiàn)仿生物理智能的目的及方法
未來展望
軟體機(jī)器人仿生物理智能有望在高速動態(tài)作業(yè)、極端環(huán)境探索及微型機(jī)器人智能化等方面發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢。盡管目前軟體機(jī)器人仿生物理智能的研究在各方面都取得了一定進(jìn)展,但仍處于初級階段,尚有一系列的問題和挑戰(zhàn)需要解決,包括仿生設(shè)計、智能材料、智能結(jié)構(gòu)、智能形態(tài)、系統(tǒng)集成等。仿生物理智能研究更進(jìn)一步的發(fā)展需要生物學(xué)家、機(jī)器人學(xué)家、材料學(xué)家、化學(xué)家和計算機(jī)學(xué)家之間的充分交流與合作。
本文來自《科學(xué)通報》
標(biāo)簽: 計算智能 科學(xué)通報 智能材料 整體結(jié)構(gòu)
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