鳗鱼断裂后下半身仍能运动的机器人示范

当机器人的部件通信中断时，仍能继续执行动作吗？

这里的部件指传感器、通信总线、控制电路，它们构成了机器人运动的核心。

近期一组来自欧洲顶尖研究机构的科学家在研究鳗鱼后，给出肯定答案：可以实现。

他们在模拟鳗鱼结构的基础上，设计出一种“通信中断也能继续运动”的机器人，显著提升了运动能力。

研究成果还登上 Science Robotics 的封面。

下面一起来看。

在传感器断线时仍能保持动作

通常情况下，动物的脊髓（中枢神经系统）被切断就会导致相应肢体瘫痪。

即使是脊椎动物（如多数鱼类），断开脊髓后也难以协同动作，运动能力明显下降。

然而鳗鱼在被截断一半后，下半身仍能完成游动动作，这引起了科学家们的关注：能否把这种特性应用到机器人？

传统机器人通常通过“ brains ”（总控系统）来统筹动作，一旦总控信号失效，往往会导致全身瘫痪；若能借鉴鳗鱼的运动策略，控制难题可能迎刃而解。

对鳗鱼的分析揭示了两大特征：

• 通过周围神经系统感知环境、协调运动；
• 通过中枢神经系统，用一组神经振荡器产生规律的肌肉活动，以抵御通信中断。

基于这两点，研究人员设计出一个波动式游动的“鳗鱼”机器人。

首先是环境感知部分，即机器人的“周围神经系统”。

研究团队设计了一组力学传感器，由通信电路、带放大器的压感元件和纤维板组成，作为机器人的“感知皮肤”，用于感知水中动力信息。

这组力学传感器通过磁铁固定在机器人外侧，与相邻模块连接，最终与头部相连，将信号反馈给神经元，进而控制左右侧的“肌肉”运动。

每个模块顶部还设有一个浮动元件，用于运动跟踪。力学传感器和浮动元件共同构成机器人的“皮肤”（图中黄色防水布外围的黑色部件），机器人能通过它们感知水流压力，实现贴着障碍物游动并避免碰撞。

接着是运动控制部分，即机器人的“中枢神经系统”。

该部分包含10个伺服电机，每个部分都是独立电路，由搭载 Linux 的计算机、电池和被动连接模块组成，形成对某段肌肉的控制单元。

各部分控制系统完全独立，即使某一部分损坏，其余模块仍可依据传感器信号实现规律肌肉活动，呈现类似节拍器共振的效果：

运动时的节律感十足：

随后再在外侧覆盖一层防水外衣，将“中枢神经系统”包裹起来（外侧的黄色布料），整套系统就完成了。

这样的“鳗鱼”机器人，是否真能在控制系统等部件损坏时仍保持运动？

在贴墙游动中多次中断也不泄气

研究人员在一个2米×6米×0.31米的水槽中对机器人进行了测试。

测试对象包括4种结构：无传感器（CPG）、无耦合（前后部件无关联）、无神经振荡器，以及全功能结构（论文所述结构）。

下图展示了在人为短暂中断不同部件后，这几种机器人的速度下降情况（图A~P，横轴表示中断次数）：

从图中可以看出，中断类型分为四类：传感器中断、耦合中断、神经振荡器中断，以及三种部件同时中断。

显然，在三种部件全部中断或其中任一部件中断的情况下，这一结构的机器人都明显优于其他架构。

其他类型的机器人在面对多部件中断时，中断次数超过9次后速度已降至0。

只有论文所述的机器人在多部件中断9次后仍保持0.1米/秒以上的速度。

这说明该机器人结构即使在“中枢神经系统”和“周围神经系统”中只有一个起作用时，也能保持几乎不变的运动速度。只有在两者同时且多次中断的情况下，速度才会显著下降。

这一研究对实现可重构与模块化机器人具有重要意义，也可用于搜救与环境监测等场景，提升了机器人的鲁棒性。

作者信息与致谢

第一作者 RoBIn Thandiackal，本科毕业于 ETH Zurich，博士毕业于 EPFL，目前在哈佛大学从事博士后研究。

共同第一作者 KaMilo Melo，曾在 EPFL 进行博士后工作，后创办机器人公司 KM-RoBOTA，并继续与 EPFL 保持学术合作。

其他8名作者分别来自 EPFL、法国南特大学数字科学实验室、东北大学、日本舍布鲁克等机构。

除了鳗鱼机器人研究外，KaMilo Melo 的团队还开展抗摔抗掉落的蛇形机器人研究：

论文地址：