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麻省理工又秀神技:推出如魔法般跳跃的方块机器人集群

几天前,小编向大家介绍过麻省理工(MIT)研发的一种自组装机器人集群(点此阅览),它们可以用统一标准的小“单元”自动组装出各种大型结构。现在,MIT计算机科学和人工智能实验室又推出一种新型自组装集群机器人,它们可以用完全不同的方式进行自我组装,形成实用结构。

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一个模块化的机器人立方体M-Block正在卡入位,图片来自 Jason Dorfman/MIT CSAIL

一群简单的、相互作用的机器人具有一种无形的完成复杂任务的能力。不过事实证明,要让这些机器人实现真正的蜂巢式协调思维,需要克服一些障碍。

为此,麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究团队想出了一个惊艳的简单方案:设计一种能在空中相互攀爬、跳跃以及在地面上滚动的机器人方块。

从该项目第一次迭代起,距今已经六年了,机器人已经可以在块的每个面上使用类似条形码的系统相互“通信”,使模块能够相互识别。由16个块组成的自动化机群现在可以完成简单的任务或行为,例如形成一个队列、跟随箭头或跟踪灯光。

在每个模块化的“M-Block”内部都有一个飞轮,以每分钟20000转的速度移动,并通过角动量来制动。在每个边缘和每个面上都有永久磁铁,可以让任意两个方块相互连接。

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尽管方块不能像电子游戏“Minecraft”中那样容易操作,但该团队设想了在灾难响应和救灾方面的强大应用。想象一下,未来在一座燃烧的大楼里,楼梯被销毁了,而你可以简单地把M-Blocks扔在地上,看着它们自动建造一个用来爬到屋顶或地下室去营救受灾者的临时楼梯。

麻省理工学院的教授兼CSAIL主任丹尼拉·罗斯说:“M代表运动(Motion)、磁铁(Magnet)和魔法(Magic)。‘运动’,因为方块可以跳跃移动;‘磁铁’,因为方块可以通过磁铁连接到其他方块,一旦连接,它们可以一起移动,连接到组装结构;‘魔法’,因为外观上我们看不到任何移动的部分,方块似乎是由魔法驱动的。”

除了救灾,研究人员还设想将这些方块用于游戏、制造业和医疗健康等领域。

CSAIL博士生John Romanishin是一篇关于该系统新论文的主要作者,他说:“我们方法的独特之处在于,它成本低廉、稳健,而且可以更容易地扩展到百万数量级个模块。M-Blocks能以常规方式移动。其他机器人系统有更复杂的运动机制,需要许多步骤,而我们的系统更具扩展性和成本效益。”

Romanishin 和 Rus 以及密歇根大学的本科生 John Mamish 一起写了这篇论文。他们将于11月在澳门举行的IEEE智能机器人与系统国际会议( IEEE’s International Conference on Intelligent Robots and Systems )上发表关于M-Blocks的论文。

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以前的模块化机器人系统通常使用带有小型机械臂(称为external actuators)的单元模块来应付运动。这些系统即便是在做最简单的动作时也需要大量的协调,比如一次跳跃就要包含多个命令。

在通信方面,如果使用红外线或无线电波,会立刻让机器人变得笨重。比如系统使用无线电信号进行通信,那么当一个小空间中存在许多无线电时,它们就会相互干扰。

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模块化机器人M-Blocks可以自组装成各种结构,图片来自 Jason Dorfman/MIT CSAIL

早在2013年,该团队就建立了M-Blocks的机制。他们创造了六面立方体,这些立方体利用称为“惯性力( inertial forces )”的东西来四处移动。每个Block内部都有一个可以朝模块对侧“投掷”的质量块(mass),从而使自身旋转和移动。

立方体每个面可以产生四个基本移动方向,因此每个Block共有24个不同的移动方向。此外,没有小手臂和附属物伸出Blocks,使它们更容易避免碰撞和受损。


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解决了物理障碍,那么剩下的挑战就是:如何使这些立方体互相通信,并可靠地识别相邻模块的配置信息( configuration )?

Romanishin提出了一些算法,旨在帮助机器人完成简单的任务或“行为”,这让他们产生了一个类似条形码的系统的想法,在这个系统中,机器人可以感知它们连接到的其它Block的身份( identity )和表面(face)。

在一个实验中,研究小组让这些模块从一个随机结构变成一条直线(队列),他们观察这些模块是否能够确定它们相互连接的具体方式。如果他们不能,他们就必须选择一个方向,然后朝那边滚动,直到最后抵达尽头。

基本上,这些块利用了它们怎么相互连接的配置信息( configuration )来指导它们选择的移动,并且90%的M-Blocks成功地进入一条直线。

该团队指出,创造电子产品是非常具有挑战性的,特别是当试图将复杂的硬件安装在如此小的包装内时。为了让M-Block机群更具现实意义,团队只想要更多的机器人方块来制造出规模更大的 、 具有更强的各种结构能力的机群。

该项目在一定程度上得到了美国国家科学基金会和亚马逊机器人公司的支持。


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By RACHEL GORDON, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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