向自然学习,MIT的生物启发式机器人

By 吴攀2016年12月19日 15:33

机械工程师 Sangbae Kim 打造了可用于灾难响应的类似动物的机器。也许不久的将来,灾难地区的应急响应就可能会包含四条腿的、狗一样的机器人,它们可以穿过火灾区域或地雷区域,然后以后腿支撑立起来转动门把手或打穿墙壁。这样的机器人救护员可能已经准备好在未来 5 到 10 年内实现部署了,MIT 机械工程副教授 Sangbae Kim 说。他与 Biomimetic Robotics Laboratory(仿生机器人实验室)的同事们正在向着这个目标而努力——借鉴生物力学的原理、人类决策和机械设计,打造 Kim 所说的能够执行开门、打穿墙壁或关闭阀门等「真实的物理工作」的机器人。


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Sangbae Kim,图片来源:Ian MacLellan

「假设在一栋建筑里面出现了毒气泄漏,你需要去关闭里面的一个阀门,但是让人进去关闭会太过危险。」Kim 说,「目前,还没有什么单个机器人能够完成这个任务。我希望能够打造有希望比人类做到更多并且能在我们的生活中提供帮助的应急响应机器人。」

为了做到这一点,今年刚获得终身职位的 Kim 正在试图将其实验室的两个主要项目融合到一起:MIT Cheetah(一种重 70 磅的四腿机器人,它可以自动奔跑和越过障碍)和 HERMES(一种远程操控的两腿机器人,需要一个人类操作员进行远程控制,类似于机器人「阿凡达」)。

「我想象会有一种能够做一些体力的、动态的工作的机器人,」Kim 说,「对于研究中你感到兴奋的部分,每个人都在尝试寻找重叠区域。很多人喜欢看体育节目,因为有假说认为,当你看到别人那么劲爆地运动时,你大脑里面的『镜像神经元(mirror neurons)』会激活,同时你也会感受到那种兴奋感。对于我来说,当我的机器人能够动态地执行任务和保持平衡时,我也会感到真正地兴奋。这样的感觉激励着我的研究。」

从军队教官到机器人学家

Kim 出生于韩国首尔,他说他母亲记得他从小就是一个爱思考的人。「只要是有螺丝的东西,都会被我拆开,」Kim 说,「而且她说刚开始的时候,几乎所有东西都被我弄坏了。后来,情况就开始好转了。」

后来他进入了首尔的延世大学学习机械工程。在大学第二年,依照韩国的强制兵役制度,他和他的其他男性同学加入了韩国军队,他在那里担任了两年半的演习军官。

「我们教新兵了解成为一名军人的所有细节,比如如何穿衬衫和裤子、扣腰带、以及甚至在走路的时候该如何握拳,」Kim 回忆道,「早上 5:30 就要起床,直到晚上 10:30 所有人都快累得睡着了才结束,中间没有任何休息。教官是出了名的刻薄,我觉得这是有原因的——他们必须要跟得上安排得很紧的日程。」

服完兵役之后,Kim 回到延世大学继续学习,并开始被机器人学所吸引,尽管当时该校还没有这个学科的正式项目。他最后参加了一个学生比赛制造能执行特定任务的机器人的班级项目,这些任务包括:夺旗、比赛、机器人对抗,这有点类似于 MIT 受欢迎的 Course 2.007 (Design and Manufacturing)——现在 Kim 也是这门课的教员之一。

Kim 说:「这个班级真的给了我的事业很大的激励,让我在机器人学领域扎下了根。」

仿生机器人的梦想

在他大学的最后一年,Kim 开发了一种相对廉价的 3D 扫描器,然后他和另外三位同学一起创立了一家商业化这个设备的公司 Solutionix,其产品是在 Kim 的设计上的扩展。但是当该公司开始进入融资的早期阶段时,Kim 又有了新想法。

Kim 说:「当我把它做出来以后,我就失去了兴奋感,因为我已经完全搞懂它了。我喜欢把事情搞明白。在公司起步一年后我意识到了这一点:我应该从事开发早期阶段的研究,而不是改进成熟的产品。」

在这款产品首批发货后不久,他就离开了韩国来到了斯坦福大学,他就读了一个机械工程研究生项目。在那里,他首次尝到了自由设计的滋味。

「那真是一次改变人生的经历,」Kim 说,「和环境非常保守的韩国比起来,这里有更自由、更有创造性的环境。这是一个相当大的文化冲击。」

Kim 加入了 Mark Cutkosky 的实验室,这位工程学教授一直在致力于寻找设计生物启发的机器人的方法。特别值得一提的是,该团队当时正在试图开发一款模仿壁虎攀爬的机器人,其使用了一种特殊的毛来帮助机器人停留在竖直的墙面上。Kim 对这种毛机制(hairy mechanism)进行了调整,发现它真的有效。

「那是凌晨 2 点半,我正在实验室里,我睡不着,我已经尝试了很多东西,我的心在怦怦直跳。」Kim 回忆说,「在一些带有大窗户的门上,(这个机器人)爬得非常顺滑,它使用了世界上第一种定向粘合剂,那是我发明的。我很高兴地将其展示给其他人看,那天晚上我给他们全都发了一段视频。」

他和他的同事成立了一家创业公司来进一步开发壁虎机器人。但再一次,Kim 失去了在实验室里的那种快感。不久之后他就离开了这家公司,进入哈佛大学开展博士后研究。在哈佛大学,他帮助设计了 Meshworm——一种柔性的自动机器人,能够像蚯蚓一样扭曲地爬过地面。然后,Kim 将自己的目光放到了更大型的设计上。

「我开始不再研究小型机器人,因为它们很难做到一些真实的体力上的工作。」Kim 说,「所以我决定开发一款更大的四足机器人来执行人类水平的任务——这是一个长期的梦想。」

寻找设计原理

2009 年,Kim 接受了 MIT 机械工程系的助理教授职位,然后他成立了自己的仿生机器人实验室(Biomimetic Robotics Lab)并设定了一个特别的研究目标:设计和制造一个四足猎豹机器人。

「我们选择猎豹,因为它是最快的陆地动物,所以我们了解它的特征是最好的,但也有很多动物与猎豹有相似之处。」Kim 说,「它们有一些微妙的差别,但你可能不能从这些特征中了解到设计原理。」事实上,Kim 快速研究了其中一些案例,发现在机器人上重现特定的动物行为可能不是最好的选择。

「我们的案例中一个很好的例子是马的奔跑。」Kim 说,「在一匹骏马上,这是很美的,你还能听到哒哒的马蹄。我们对此很着迷,想要重现它。但事实证明马的奔跑方式对机器人来说用处不大。」

动物往往都会偏爱各自特定的步态,因为这涉及到肌肉、关节和骨头的复杂相互作用。然而,Kim 发现,由电机驱动的猎豹机器人表现出了与其灵感来源非常不同的动力学(kinetics)。比如说,在高功率情况下,该机器人能够以 14 英里每小时的速度稳定前进——比自然界的任何动物都快得多。

「我们必须理解什么是我们所需的主导原理,并且要问:那是生物系统的一个局限性吗,或者我们能否在工程领域实现它?」Kim 说,「找到能够囊括动物和机器之间的差异的有用原理是一个非常复杂的过程。有时候执迷于动物的特征和特性会妨碍你在机器人领域取得进步。」

一个「秘方」

除了在实验室打造机器人,Kim 也在 MIT 任教,包括他已经任教了 5 年的 2.007。

「这仍然是我最喜欢的班级,这里的学生真正已经脱离了『家庭作业-考试』的模式,他们有机会自己亲自上手创造自己的项目。」Kim 说「今天的学生在使用 3D 打印和乐高的创客运动中成长起来,他们在等待 2.007 这样的东西。」

Kim 还教授着一门他在 2013 年创立的课程——生物启发机器人学(Bioinspired Robotics),参加这个课程的 40 位学生 4 人一组根据生物力学和动物运动方式设计和制造机器人。过去的一年,学生们在 Lobby 7 上展示了他们的设计,包括一台投掷机、一个轨迹优化的踢球机和一个跳跃在跑步机上的袋鼠机器。

「在许多人类的运动中存在一些秘方,因为肌肉有非常特别的性质,如果你没有很好地了解它们,你就会表现很糟,让自己受伤。」Kim 说,「这全部都基于肌肉运动,而我在努力弄懂世界中的这些事物,并将它们用在机器人世界中。」

声明:本文由机器之心编译出品,原文来自MIT News,作者Ferris Jabr,转载请查看要求,机器之心对于违规侵权者保有法律追诉权。