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2016年机器人在研究领域都有哪些新突破

[日期:2016-12-29] 来源:雷锋网  作者: [字体: ]

  当一个市场是以技术驱动的时候,来自最前沿的技术研究对于市场的影响是至关重要的。在过去的一年中,我们看到了世界上第一个完全软体自驱动机器人诞生,也看到了最会走路的Altas再次突破自己学会走“梅花桩”,这些技术的突破必将在业界产生影响。

  仿生机器人

  韩研究团队打造强大人造神经,让超级计算机模仿人脑

  

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  这是一种微型部件,其能模仿人脑神经元之间的连接方式,功能优于之前所有人造大脑设备。这些新的人造神经是一种晶体管,或是电子开关。在开和关的过程中,它们可以模仿神经元学习的方式。

  研究者在一个直径为10厘米的晶体上组装了144个神经元晶体管,这些晶体管中装有直径为200到300纳米的金属丝。其实,人类头发的平均直径为10万纳米,因此这些晶体管和神经元的细小程度可想而知,其消耗的能量也是非常之少。

  该项目由韩国浦项工科大学打造,项目负责人、材料科学家Tae-Woo Lee表示:”这种新的研究将能够引领未来,打造更好的机器人、自动驾驶汽车、数据挖掘、医疗诊断、股票分析,以及其他的智能人机交互系统和机器。“

  距人造人更近一步,哈佛科学家用活体细胞造了一个机器人

  

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  一个来自哈佛大学的科研团队凭借机器人工程和基因生物学的知识,利用一些丰胸用的硅胶、一小撮黄金和20万个经基因改造过的小鼠心肌细胞,制造出了一条人造的黄貂鱼,最令人惊讶的是,小鱼还能不借助外力,自发地在营养液里向着光源游动。

  科学家们的具体做法是:用一小块硅胶注成黄貂鱼的外形,然后利用机器人形态学的技术把少量的黄金注入硅胶里形成黄貂鱼的骨骼支撑,然后在“骨骼”之上再铺一层硅胶,这是为了防止小鼠心肌细胞直接接触金属造成细胞死亡,最后将活体细胞铺在黄金骨骼之上,就构成了一个会动的人造黄貂鱼。

  其中,心肌细胞是依靠基因生物学的技术,切掉原始基因链中不需要的基因片段,嫁接上需要的,然后重新培养而成。其中科学家植入的新基因片段是一段趋光性的基因,因此该心肌细胞除了具备心脏肌肉那样的伸缩特性,还具有趋光性。这也是为什么该人造黄貂鱼不但能够自己游动,还能趋光的原因。

  目前,由于活体的心肌细胞不具备免疫系统,因此这条人造的黄貂鱼还不能在营养液之外的环境中生存。但是,哈佛的科学家表示,或许可以将这条小鱼作为一个起点,凭借机器人工程学和基因生物学技术的结合,未来或许能创造更大的奇迹。

  日本科学家造出一个“活的”机器人,可对外界刺激自发响应

  

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  按照传统的思路,机器人是按照科学家预先写好的一段代码运行,电机受代码控制,代码怎么写,机器人就怎么动,这被认为是机器人和人类的最大区别之一。不过,随着人工智能技术的不断发展,背靠着大数据和深度学习,现在更类似于人类的机器人也屡见不鲜,比如AlphaGo就是一个例子。现在,一群来自日本东京和大阪的科学家在这个方向上又向前迈了一大步。

  7月份日本国立科学博物馆展出了一个新的机器人,它名叫Alter。与博物馆其他机器人最大的不同在于,Alter不但拥有一张拟人的脸,也有一颗拟人的心。

  如图所示,Alter目前并非一款拥有完整双足的人形机器人,它只有上半身,并且除了面部和小臂有仿生材料包裹之外,其他部分都是裸露的机械结构。它最重要也是最与众不同的地方在于一颗内置的CPG(Central Pattern Generator,中枢模式发生器),CPG基于Izhikevich神经网络技术,可以并行提取分布在Alter身体各处的多种传感器数据,然后针对各路数据进行综合分析,通过体内42个气动装置,驱动Alter自发地做出各种拟人的动作,即所谓“自发意识”,而不是像传统机器人那样按照既定的代码一步一步运行。

  目前,Alter能够检测到周边的物体移动、温度、湿度和声波强度等多种不同维度的信息,从而做出不同响应。比如,当检测到周围有多个人向自己靠近时,Alter会自发地开始颤抖。除此之外,Alter还能根据手指的动作唱歌(目前为止只是简单的正弦波变化),能跟普通人轻松交谈10分钟以上。

  MIT成功研制人造肌肉纤维,仿生机器人已在地平线

  

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  很多年里,研究人员一直在尝试创造出一种耐用、低成本的人造合成肌肉,但始终没有成功。至今制造出的样品要么太昂贵,无法量产(比如碳纳米管);要么太脆弱,能耗又太高,以至于没有多大实用价值。但就在近日, MIT 的一支研究团队用尼龙纤维制造出了一种十分理想的、能满足所有实用性要求的人造肌肉。

  传统的方法里,让尼龙弯曲需要用到滑轮装置。这增加了系统的重量、复杂度和成本——它们恰恰是是量产新技术最需要减少的三个东西。

  MIT 团队找到了一种很巧妙的方法绕过这个难题。该团队使用的是普通的尼龙丝。他们先对它压缩处理,把圆形的横截面改为矩形。接着,他们只对纤维的一侧进行加热。这样一来,加热这一侧比未加热一侧收缩得更快,强迫尼龙纤维向受热一侧弯曲。而加热源可以是任何东西,包括电阻发热,化学反应发热和激光发热。这些尼龙纤维出乎意料的非常结实耐用,可以经受 10 万个使用周期,并且可以在一秒内收缩 17 次。

  材料

  有了这种皮肤,机器人能更好地表达“情绪”

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  康奈尔大学的研究人员研究出了一种特殊的“皮肤”,这是一种可发光的材料,柔软性极强,可以拉伸至六倍以上并且保持发光。这种“皮肤”由两层透明的导电水凝胶构成,两层水凝胶之间是一排电容器,它们在通电时会发光。

  这种灵感来源于章鱼,它们能根据环境很快速地改变自己的皮肤颜色从而达到伪装。研究报告第一作者、康奈尔大学机械与航空航天工程学助理教授Rob Shepherd认为这种“皮肤”将有两种应用方向,一种是应用在机器人上,打造出能变色和显示信息的软体机器人;一种是能变形的显示器。

  有了这种“皮肤”,机器人不仅拥有柔软的肢体,而且还能有自己的“情绪”表达,通过不同的颜色,机器人能展示自己的感受,从而与人类更好地沟通。

  用这种液态金属,可以造出现实版终结者

  

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  澳大利亚墨尔本市RMIT大学的研究团队从无毒金属镓合金提炼了出一种特殊的导电材料,它可以自动变形,该高校的研究人员正尝试使用这种导电的液态金属制造电子元件。

  众所周知,金属镓在室温条件下就会呈现液态,如果它与铟和锡等金属混合加入到水中,并改变PH值,这种混合材料就可以神奇的实现自由移动。

  该项目的负责人库罗什·卡兰塔尔-扎德赫(Kourosh Kalantar-zadeh)表示:“利用这些发现,我们可以制造自主操作的移动物体、开关或水泵,由周围流体组合驱动自我组装的液态金属。”

  目前的电子设备都是基于固态元件的电路,采用这种材料的电子元件就完全可以颠覆传统的电子设备,根据需要移动和重新配置。

  当然不仅这些应用场景,通过类似的原理,未来还可以将其打造出3D液态金属机器人,就像T-1000式液态“终结者”一样。

  这种材料可实现自我驱动,自动组装机器人军队

  

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  新发明的这种材料可以自动组装,安进机器人体内,作为独立的元件运作自如。它由球体组成,进入电场后,会自动调整到合适的形态。将来,这种材料可以用于打造一支坚韧不拔、头脑简单的机器人军队。

  这项研究是一群来自韩国蔚山科学技术大学的科学家的成果。这支国际研究队伍受到蜜蜂和蚂蚁蜂拥和集体行为的启发,他们在实验室中用电脑模型复制了这种行为,完成了初步设计。这种叫作“Janus Colloids”的能够实现自我驱动的材料一旦进入电场,就随意地调节自己的状态。

  Janus Colloids有正负两个电极。因为对称破缺,当Collids暴露在电场中时,电极便发生变化,从而引发不同Collids之间的电磁反应。这意味着有些颗粒相斥,有些颗粒相吸,有些颗粒保持中性。所以,这些半球才能够自然而然地变化形态,比如链条状、半球状或是团状。目前,这个材料在电脑模型和Janus Colloids的二维系统中都测试过。科学家们希望能够做出三维原型来展示这种材料如何运用在实际操作中。

  这个团队在畅想,在未来的某一天,这种材料能促进药物在体内的传输。他们认为药物可以放在球体内部,当身体需要它们的时候,它们就能自动组装。这种材料既可以是独立个体,又可以用于打造自我成型的机器人,甚至用作一支军队。

  软体机器人

  波兰团队打造毛毛虫机器人:驱动和控制全靠光线

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  波兰华沙大学物理学院研究团队运用液晶弹性体科技(该技术最初由佛罗伦萨LENS研究所研发),打造了一款15毫米长的仿生微型软体机器人,它能够模仿毛毛虫的步态。值得一提的是,这款机器人能从绿色光线中吸收能量,并由激光射线控制。除了在平面上爬行,它还能爬过小坡、挤过缝隙,还能运输东西。

  液晶弹性体(LCE)是一种智能材料,它能够在可见光的照射之下改变形状。在结合了最新研发的技术之后,它能通过预先设定的驱动性能,将这些柔性物质变成任意一种三维形状。这种由光线驱动的变形将能使单片LCE结构在无需许多离散致动器的情况下,进行复杂的动作操作。

  研究人员希望这种新型材料、制作技术和设计策略可以打开微型软体机器人的新大门,让更多科学家创造更多微型和毫米级的机器人,并让这些机器人拥有更多的技能,比如游泳(表面或水下),甚至飞行。

  世界上第一个完全软体自驱动机器人,用“气动”取代“电动”

  

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  长期以来,机器人界一直希望造出通体由软性材料构成的机器人,但开发出柔性的供能和控制元件一直是难点,例如现在很多研究人员纷纷都在开发柔性电池和电路板。

  在8月24日的《自然》科学杂志上, 哈佛维斯生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)发表了名为《全软体自主机器人的一体化设计与制造策略》(An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots)的论文。哈佛大学的研究人员采取了不同以往的方法,他们独辟蹊径,制造出了世界上第一个完全软体的且自我驱动的机器人,它可以独立运行4~8分钟。

  这个外形类似小章鱼的机器人真正具有里程碑意义的特点是:在没有电池和电路板的情况下,实现自我驱动。具体而言,它不是传统的“电动”的,而是“气动”的。

  “小章鱼”依靠体内的化学反应供能,这个化学反应里,少量的过氧化氢转变成了大量气体,这些气体流入“小章鱼”的手臂,给手臂充气从而引发运动。

  纳米机器人

  世界首个纳米鱼机器人,在你的血管里运送药物

  

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  据美国《新科学家》9月报道,近日科学家受鱼的游泳动作启发,研发出一款全新的“纳米鱼机器人”,可以应用于在人体内输送药物。

  这个纳米鱼的体积十分小,比一粒沙子要小100倍。“纳米鱼”由磁驱动,内含微小的金和镍组件,中间由银制的铰链作为连接。它游泳的速度和方向受磁场的方向和力量所决定。

  研发该机器人的是加州大学圣地亚哥分校的研究人员,他们希望自己的发明能够应用于医疗领域,比如把镇痛药物传输到身体需要的特定部分。

  尽管其他团队也开发出类似功能的“纳米游泳机器人”,但是他们大部分长得更像是一个小潜水艇,而如何让纳米机器人向前推进,传统的灵感来自于细菌螺旋状的尾部。实验发现,这个“纳米鱼”比以往的类似功能的机器人更加有效。

  无人机

  帝国理工研发无人机无线供电技术,续航有保障

  

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  多数基于机载电池的多轴无人机在单次充电后,续航时间都难以超过30分钟,这让它们执行任务的能力受到了很大的限制。尽管我们可以通过电缆将能源输送给无人机,但是局限性还是很大——这仅适用于悬浮观察之类的小范围应用。

  为了解决这个问题,日前,来自伦敦帝国理工学院的科学家们研发了一款无需电池和输送电力的缆线就可以充电的新型无人机——它在飞行的过程中能无线摄取电量。

  这项研究基于一架现成的迷你四轴飞行器。科学家们先是移除了无人机上的电池,然后在机身外表缠上了铜线圈。除此之外,研究人员还利用电路板、电源和铜线圈打造了一个独立的无线电力传输平台。当无人机接近这个平台后,机上的铜线圈就会作为磁场的接收天线,产生交变电流,然后无人机上的修正电子会把整流转换成直流,从而为无人机供电。这项技术被称为“电感耦合”(Inductive Coupling),早在 Nicola Tesla(塞尔维亚裔美籍科学家,生于1856年,卒于1943年)时期就被研发出来了。

  另外,除了为飞行中的无人机不断充电之外,这项技术还可以用来为机载电池进行充电,这样一来,无人机就不需要着陆充电或是更换电池,也就是说,它们的飞行时间可以延长很久。

  无人机避障不再老大难,Vijay Kumar 用弹性减震另辟蹊径

  

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  在宾夕法尼亚大学的 GRASP Lab 中,由 Yash Mulgaonkar, Luis Guerrero-Bonilla、Anurag Makineni 以及大名鼎鼎的 Vijay Kumar 教授组成的研究团队一直在努力研究,如何让四轴无人机顺利穿过玻璃。由此,他们提出了一个帮小型无人机实现导航和避障的简易方法:给它们安一个减震结构,让它们自个儿飞去吧,不会有事儿的。

  在无人机的研发过程中,宾大 GRASP Lab 团队想要寻求生物学方面的灵感,于是他们的关注点在于有弹性的小型无人机。最后,这个团队推出了一系列重约25克、长仅10公分的宽版微型无人机。每架无人机都有一个轻量级的、形状类似纲踄克的自动复原减震结构。它由热固化的纱质材质构成,包含了1万2千股碳纤维。这款微型无人机可以由一个简单的控制器操纵,它“不需要考虑其他机器人或是障碍所处的位置,也不需要具备碰撞反应机制。”它需要做的就是让微型无人机更加稳定,然后将它们导向目标位置。它的运行过程非常流程,甚至当机器人没有识别到障碍以及其他微型无人机时也可以正常运行。

  运动

  NABiRoS 机器人要像螃蟹一样横着走,另辟蹊径挑战仿人类行走难题

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  隶属加利福尼亚大学洛杉矶分校的 Dennis Hong 机器人及机械实验室( RoMeLa )提出了一项全新的机器人设计方案——让机器人采取全新的双足步行方式。通过拟人设计与类人化侧身实验,他们已经能够创造出稳定又敏捷的机器人,不仅操作简单而且价格便宜。

  Hong 表示:“与完全模仿人类行走不同,我们提出的是一种简单的解决方案:我们在这种全新的结构配置中加入了‘机械智能’为机器人的速度、稳定性与易用性提供帮助,使得“机器人移动”能够在现实生活中实用有效。”

  RoMeLa 是资深类人机器人研究团队,我们知道的 DARwIn、CHARLI、SAFFiR 与 THOR 都出自他们之手。这些现有成果全部采用传统人形设计,尽可能去模仿人类外观与能力。

  新突破,波士顿动力的 Atlas 会走“梅花桩”了

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  Atlas 最近确实有了较大提升,借助佛罗里达理工学院人类和机器人认知(IHMC)研究人员开发的算法,虽然有些踉踉跄跄,但它能做出许多此前根本不敢想象的动作了。

  现在,当 Atlas 遇到一个不均匀的立足点,它会像你我一样先将脚伸过去探一下虚实,确定立足点足够安全后它才会信心百倍的将全身的重量转移过去。如果下一步依然忐忑,Atlas 依然会重复之前的试探动作。整个过程中,为了保持平衡研发人员将 Atlas 快速和动态的步伐与角动量结合了起来。

  每秒跳跃2.2米,世界最敏捷的跳跃机器人诞生

  

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  在刚刚发布的全新版《机器人科学》期刊中,Haldane 与 M. M. Plecnik、J. K. Yim 、R. S. Fearing 联合展示了一款只有 100 g 重但弹跳惊人的机器人设计——他们利用夜猴的弹跳秘密成功研发出前所未有的敏捷的机器人。

 

  弹跳的有效运动绝不仅仅在于你能够跳的多远——更关键的也在于你能达到的弹跳频率。研究者们提到的“敏捷度”是指机器人在不断跳跃过程中能达到的跳跃高度,更专业的说法是“跳跃系统在不断重复跳跃时能达到的最大平均垂直速度”。如果是夜猴,0.78  秒的时间内能跳到 1.7 米的高度,那么敏捷度就是 2.2 m/s。

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