灵活的系绳使配对机器人能够解决迷宫并收集物体

Josiah02

如果不加理会，这些玩具机器人会在桌面上漫无目的地滑行，逗得小孩子和猫咪开心不已。但当普林斯顿的工程师们将这些小玩具与一条灵活的系绳配对时，这些机器人便展现出了非凡的能力。它们可以探索封闭的空间，轻松走出迷宫，甚至可以将松散的物体聚集成图案。
“我们希望利用无脑药剂来引发复杂的行为，”化学和生物工程副教授兼研究团队负责人 Pierre-Thomas Brun 说道。
在10月29日发表在美国国家科学院院刊上的一篇文章中，研究人员表示，用柔性聚合物系绳连接机器人可以使这些两英寸长的机器进行形态计算——一种利用物理特性而不是数字计算来解决复杂问题的现象。
这一发现的意义远不止是机器人玩具的有趣用途。科学家们正在寻找控制机器人群的方法，用于从监视系统到太空探索等各种领域。在许多情况下，研究人员通过教每个机器人像鱼群中游动的鱼一样对邻居的简单提示做出反应来组织机器人群。Brun 的团队想探索是否有可能控制缺乏任何计算能力、只对物理输入做出反应的机器人群。
他的团队使用的玩具机器人是一种名为 bristlebots 的小型机器人。它们具有细小灵活的腿和振动内部马达，可驱动其昆虫运动。这些机器人缺乏任何类型的计算机控制，而是依靠机械摩擦来控制它们。bristlebots 被广泛用作玩具，在科学实验中被发现可以代替气体颗粒和细菌。
Brun 的团队想知道是否有可能在不使用灯光或其他外部指令的情况下创造复杂的行为。他们计划利用机械智能，即物理系统以手抓球的方式解决问题。
关键在于一条柔性系绳，研究人员用 3D 打印机制作了它。他们尝试了刚性系绳和其他不同柔性的系绳。研究人员使用摄像头跟踪机器人，创建了数学模型，根据包括机器人的力量、系绳的长度和柔性在内的变量预测配对机器人的行为。
在每一种设置中，研究人员将一根系绳连接到每个矩形微型机器人的前缘。使用最坚硬的系绳（基本上是一根坚硬的聚酯梁），机器人相互推挤，几乎不动。但随着研究人员增加聚酯的柔韧性，系绳开始随着机器人的推挤而弯曲。
最终，系绳弯曲成 U 形曲线，使机​​器人能够快速向前推向 U 形曲线的弯曲处——就像两个游泳者推动面条形浮子的两端一样。连接机器人的系绳通过防止它们向随机方向滑行来控制机器人的方向。（当机器人施加的力超过系绳弯曲阻力的阈值时，这种控制就会减弱。）研究人员计算出允许机器人以最大速度向受控方向前进的角度。
在学会控制配对机器人的方向后，研究人员开始研究障碍物。他们发现，当撞到墙壁时，U 形系绳会变平，导致其中一个配对机器人沿着墙壁快速移动。最终，系绳中的曲线会重新出现，但指向不同的方向。这导致这对机器人远离墙壁。这种行为使这对机器人能够探索狭窄的空间。这也是这对机器人穿越迷宫的能力的关键。
除此之外，研究人员还测试了机器人挤过缝隙的能力。他们还开发了使用机器人将桌面上的松散物体收集到不同组中的方法。
该项目始于理查德·B·黄的毕业论文项目。黄于 2023 年毕业，获得化学和生物工程学位，他说他开始与布伦合作研究连接到弹性梁的单个机器人的行为。有一天，他用系绳连接了两个机器人，然后“打开录音机看看会发生什么”。
“我把它放开，它就沿着实验装置的墙壁移动，”黄说，他现在是麻省理工学院化学工程专业的博士生。“我觉得那真的很有趣。从那时起，事情开始变得非常令人兴奋。”
Brun 表示，该团队计划继续研究系绳系统。他表示，他们希望探索更多系绳机器人的其他行为和安排。另一种可能性是将这项工作应用于三维移动的无人机。
除了 Brun 和 Huang，作者还包括普林斯顿大学化学和生物工程研究生 Yuchen Xi、普林斯顿大学博士后研究员 Tom Marzin 以及 Brun 实验室前博士生、现为卡内基梅隆大学机械工程助理教授的 Trevor Jones。该项目的部分支持由美国国家科学基金会提供。