面对物理损伤机器人如何“自适应”

机器人在很多领域都充当着代替人类执行危险任务的角色，而这也是导致机器人会经常受伤的主要原因。对于不可预知的物理损伤，过去通常要耗费大量的时间和计算成本。然而日本东北大学的一项最新研究成果表明，机器人可以像海蛇尾（brittle star）那样自如地应对物理损伤，从而更好地适应极端恶劣环境。

机器人设计中的主要挑战是使机器人能够立即适应意外的物理损伤。然而，传统的机器人需要相当长的时间（超过几十秒）来适应，因为该过程需要高昂的计算成本。为了克服这个问题，我们专注于海蛇尾——一种具有可损耗性身体部分的原始生物。一般来说，大部分海蛇尾具有五个灵活的触手，偶尔会断掉几个触手，并迅速协调其余的触手以逃离掠食者。我们采用综合的方法来阐明这种弹性运动的基本机制。具体而言，基于海蛇尾的各种断触手方式，通过建立简单的数学模型，推导出分散控制机制，自动协调触手运动。我们在类似海蛇尾的机器人中实现了这个机制，并且能证明通过自动协调与海蛇尾相似的未损坏的触手，在几秒钟之内适应了意想不到的物理损伤。通过上述过程，我们发现，触手之间的物理交互对于海蛇尾的弹性触手之间的协调起着至关重要的作用。这一发现将有助于开发可在恶劣环境下工作的有弹性的机器人。此外，还对动物运动的弹性协调运动的本质机制进行了深入的研究。

機器人现在被要求在人类无法进入的恶劣环境中工作，例如灾区、遥远的行星和深海。解决这方面工作的一个主要障碍就是机器人无法应对身体的物理损伤。一种可能的解决方案是预先设定预期故障模式的应急计划程序，但这种方法非突发事件下不起作用。工程师们试图用一些技术来克服这个问题，比如学习和试错法。然而，这些方法需要相当长的时间（几十秒到几分钟）来应对意想不到的物理损坏，同时造成高昂的计算成本。相比之下，活的生物体通过及时应对意外的物理损伤从而在恶劣的环境中得以生存。这里的关键点是，即使是从变形虫到线虫等原始生物，通过适当地协调它们的身体部位来表现出这种适应性。这一事实表明，与传统机器人中使用的控制方案不同，这种以意想不到的物理损伤的实时响应可以用少量的计算成本来实现。因此，明确生物体内弹性协调运动的核心机制，可以为研制能够立即应对意外物理损伤的机器人铺平道路。

在本文中，我们关注的是海蛇尾，它属于棘皮动物门类（a phylum of echinoderm），通过协调其五个多节段触手的移动节奏在海床上运动，如图1a所示。我们之所以将该物种的运动作为适应性机器人的生物模型进行研究，是因为它有两个显著的特征：首先，海蛇尾缺乏一个中枢神经系统，取而代之的是一个相当简单的分布式神经系统，由沿其触手的放射神经组成，它们连接一个环形神经环如图1b所示。尽管缺乏一个精密的集中控制器，但它能够为不同的触手分配不同的角色，并协调其运动来推动身体。其次，这个物种对身体伤害具有出色的恢复能力，即使是丢失了任意一个触手，它也能够立即对余下的触手进行重新分配角色和协调从而恢复运动如图1c所示。这些特征使其成为一个合适的模型，克服先前提出的技术中所存在的局限性。

海蛇尾的身体结构和运动。图1a海蛇尾（巨绿蛇尾，Ophiarachna incrassata）的概述，从一个中央盘片放射出五个灵活的触手，一个完整的海蛇尾的主体是径向对称的。图1b海蛇尾的微型计算机断层扫描图像。神经系统用粉红线表示。支配触手的桡神经（Radial nerves）通过位于中心盘上的环形神经环连接。图1c当使用高渗海水而海蛇尾触手尖端被固定时，它的一个触手就会自动地将其中一个触手自动化。图1d胳膊被修剪或截肢的海蛇尾的运动。对七种类型的形态学（A-G）进行了测试，其运动的方向是从左到右。照片每隔0.5-1.0秒拍摄一次，箭头表示的是为运动做出主要贡献的触手。

在这项研究中，我们采用了一种综合方法来推断这种分散的控制机制，这种控制机制是海蛇尾运动具有韧性的基础。具体而言，基于这个生物的解剖和行为发现，我们从宏观的角度构建了一个简单的模型，推断出海蛇尾运动的分散控制机制。这个推断机制是在一个类似于海蛇尾的机器人（图2）中实现的，以证明它可以通过协调手臂的方式来适应物理损伤，就像一个活的海蛇尾那样。我们之所以采用这种方法，是因为难以从生理上检查海蛇尾所表现出的神经肌肉系统的功能，并且即使有可能，也很难从单个神经元和肌肉的功能中重建机体的复杂行为。我们的方法的优点在于，它能使我们捕捉到可能的基本机制，或是海蛇尾的弹性运动的最低要求。

实验结果展示了我们的机器人可以在几秒钟内适应物理损伤，而没有任何预测故障模式的应急方案。因此，它比传统的机器人快得多，其适应时间可能为几十秒到几分钟。这个巨大的改进是通过利用一个海蛇尾的内部——触手式协调机制实现的，它是一个具有可消耗性身体部位的原始生物。

我们认为，所提出的控制方案并不局限于我们海蛇尾状机器人的应用，而是有更广泛的应用范围，尽管仍然存在局限性。实际上，我们可以从一个更广泛的设计角度来解释该设计方案：有几个分布式控制器，如果局部感官信息能够与期望进行适当的匹配，则每个分布式控制器产生的动作就会增强，反之亦然。这种设计观点的优点在于，它不涉及整个系统的复杂优化问题的解决方案，而只需要在局部上进行少量的计算。因此，这种设计有望使机器人能够实时适应物理损伤，并适用于诸如灾难场景等不可预见的情况。

其实，我们的发现也具有生物学意义。这项研究表明，触手的协调是通过物理交互产生的。如图1d（A）所示，对于其五个触手被削弱的受试者来说，与导向运动方向的触手相邻的两个触手之所以呈现周期性同步运动的原因如图3所示。当其中一只触手碰到地面时，如图3a所示；由于平衡力矩产生，中心盘开始旋转（图3b）；然后，由于另一个触手的近端末端的位移，作用在其末端的辅助反作用力增加（图3c）；因此，局部反射开始起作用，使其击中地面（图3d）。所以，两只触手往往同时击中地面。从这一点考虑，我们可以得出这样的结论：在海蛇尾中，虽然神经控制可能起到一定的作用，但是物理相互作用可能是它内部触手间相互协调的必要条件。虽然在其他研究中也提出了物理交互的重要性，但是这项研究表明，物理交互也可以用于身体部位的协调，从而使其能够快速进行伤害反应。

有人提出，动物适应性和弹性运动是由神经系统、身体和环境之间的密切相互作用产生的。然而，这种运动的基本机制仍然是未知的。根据本文所描述的海蛇尾的分散控制机制，我们可以确定适应性和弹性运动的基本原理，与此同时，这还可以促进对动物中固有的神经肌肉骨骼功能进行更深入的理解。