机器人引论(魅力无穷的机器人世界)

作者简介

谢广明：北京大学工学院工业工程与管理系教授、博士生导师，长期工作在智能机器人以及多机器人协作领域，主持包括重点项目在内的多项国家自然科学基金项目，获得国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖等多项奖励，获得10余项机器人相关的发明专利。入选2020全球前2%科学家榜单。曾担任中国自动化学会机器人竞赛工作委员会副主任，是国际水中机器人大赛的创立者，是期刊《Mathematical Problems In Engineering》主编，包括《Scientific Reports》等多个期刊编委。指导的机器人代表队多次获得国际国内机器人大赛冠军。

内容简介

10.2 生物机器混合系统 昆虫是自然界中最早获得飞行能力的物种,其运动机理和飞行动力学原理一直是生命科学与工程技术研究人员关注的热点话题。随着神经生物学、信息科学及微机电系统等领域的飞速发展和交叉汇聚，以昆虫为载体，人们采用电刺激、动量重定向、代谢调控等技术控制或扰动载体行为，实现了可静态预设或动态控制的昆虫-机器混合系统，它们不仅继承了载体优越的爬行、跳跃或迁飞能力，而且还可以接受人工控制模块的精确诱导信号，实现人类期望的行为。显然它们类似于赛博格，也是生命体和机械电子装置的混合体！我们姑且称之为生物机器人或昆虫机器人。 生物机器人的研究始于二十世纪九十年代，美国和日本等国的科研人员以蟑螂、甲虫及烟草飞蛾为载体搭建原型，提出了一些昆虫行为控制技术及昆虫-机器接口的初步方案，这些昆虫机器人显示出了独特的能力。由于昆虫机器人不仅具有重要的研究价值，而且应用前景也很广阔，许多国家和地区都投入了大量资金和力量进行研发。下面介绍一些典型的研究案例： （1）蟑螂机器人。 蟑螂的生命力相当顽强，甚至在核爆炸中也有可能存活下来。近年来，科学家们又赋予了它一项新技能，或许有朝一日，它们可在各种灾难中营救受困人员。美国北卡罗来纳州立大学研究人员表示，借鉴蟑螂的适应性，他们研发了一种有助于灾区救援的蟑螂机器人，如图10-1所示。这些蟑螂机器人能够潜入灾区的狭小空间，并利用小型传声器接收声音。科研人员利用蟑螂通过尾须感知腹部是否碰到物体这一功能，给蟑螂研制了一款电子背包，并将其与蟑螂尾须连在一起，通过电子信号对尾须的刺激作用，控制蟑螂的爬行方向，达到寻找声源信号的目的。 在所设计的电子背包中，一类配置了一套由3个探测声音方向的定向扩音器组成的扩音器阵列，控制蟑螂机器人向正确的方向移动；另一类仅配有一个可从任何方向捕捉声音的扩音器。这些电子背包在实验室的测试中都表现的“十分有效”，为了让它们更好地在灾区工作，科学家们还开发了一种“无形围墙”技术，确保生物机器人的信号传输不受干扰。由于生物机器人能够抵达搜救人员不能到达的位置，并能够实时传输其所收集到的现场信息，因此将来有望成为救灾人员的得力工具。 （2）飞蛾机器人。 烟草飞蛾的发育期一般约为49天、翼展10厘米、负载能力约2克，是比较理想的昆虫载体。美国康奈尔大学SonicMEMS实验室将微电极植入飞蛾的触角叶、颈部肌肉、背纵肌和背腹肌等位点，使用方波信号刺激载体产生了起飞、停止和左右转向等行为。 为了减少电极植入对载体的损伤并提高系统可靠性，该研究小组提出了变态早期植入技术。该技术有助于节约载体能量，提高昆虫机器人的飞行距离和运载能力。此外，SonicMEMS实验室的研究人员采用MAV研究中较为成熟的动量重定向技术，在载体尾部安装微型电动悬翼和微位移方向舵，实现了长距离、低能耗的飞行控制。 （3）甲虫机器人。 加州大学伯克利分校、密歇根大学和亚利桑那大学的联合研究小组以甲虫为载体, 使用神经和肌肉电刺激实现了对起飞、停止、左右转向、振翅频率等飞行行为的准确控制。甲虫机器人是当前控制功能最为齐全、最接近实用的昆虫机器人。然而，对载体运动神经系统刺激信号的传递通路的研究目前还没有明确成果，如何实现更为精确的行为控制仍有待于进一步探索，涉及神经冲动的电刺激诱发机制、神经电传导通路以及飞行肌肉收缩与振翅行为的对应关系等科学问题。另外，植入方式和刺激系统的设计需以降低载体刺激损害、提高刺激精度为研究目标，可从植入操作、器件设计以及刺激方法等多个方面进行突破。 （4）老鼠机器人。 据2002年的《自然》杂志报道，在美国DARPA的大力支持下，美国纽约州立大学的Sanjiv Talwar博士领导的科研小组成功实现了人工制导老鼠的各种运动行为，如图10-2所示。科研人员通过在老鼠身体上安装微处理器，在其脑部产生快感的片区和体觉感受皮层植入电极，可在500米外遥控老鼠完成转弯、前行、爬树以及跳跃等动作，甚至可以控制老鼠产生一些有违其习性的运动行为，比如在光线充足的广阔的室外场地执行任务，而且老鼠能够以平均1.3米/秒的速度进行长达1小时的实验。 研究人员还进一步预言，如果在老鼠体上配备卫星全球定位系统(GPS)、微型摄像机以及传感器等元件，老鼠不但可以帮助营救人员寻找被压在倒塌建筑物下面的遇难者，还可以协助军方扫除地雷、排除潜在危险或充当间谍等。国内山东科技大学苏学成教授、浙江大学郑筱祥教授，以及中国科学院自动化研究所宋卫国等科研团队也针对类似问题进行了研究。 （5）鸽子机器人。 基底神经节是大脑皮层下一些神经核团的总称，是运动调控的中枢，其主要结构是纹状体，而鸟类的纹状体尤为发达。2007年山东科技大学完成了鸽子机器人的研制。他们用计算机产生具有一定规律的编码信号，通过植入家鸽丘脑腹后外侧核和古纹状体内的数根微电极，对它施加人工干预控制指令，使它在人工诱导下实现了起飞、盘旋、左转、右转、前进等特定动作。鸽子机器人脑袋后面没有线，取而代之的是一个巨大的“瘤子”。研究人员介绍，这是个无线遥控的动物机器人，鸽子脑袋后的铁疙瘩是一个指令接收器，控制着鸽子的行为，这只鸽子在人为控制下，能沿着呈方格的红线前进，到了拐角的地方还会转弯，如图10-3所示。 （6）壁虎机器人。 脑干的许多核团和脑区具有重要的运动调控功能，电刺激脑干不同区域可以诱发动物的攻击、防卫、转圈和逃跑等行为。南京航空航天大学以大壁虎为研究对象，利用自制的大壁虎大脑立体定位仪系统，发现电刺激中脑可以诱导大壁虎的转向运动。进一步的实验表明，通过刺激中脑内相关的核团可以实现对大壁虎转向运动的诱导。以此为基础，近期研究人员还在通道中成功实现了大壁虎8字形运动诱导，如图10-4，10-5所示，据此研制的壁虎生物机器人如图10-6所示。 1、本书全面系统介绍机器人技术的发展历史、应用状况和发展趋势，是一本知识丰富而全面的机器人学入门教材。其内容重点不放在机器人的具体技术细节上，而是结合具体例子，深入浅出地讲解机器人的基本原理和应用。2020年获评北京大学优秀教材。 2、本书是北京大学开设的本科生选修课“魅力机器人”的配套教材，自2012年开设已10年，课程一经推出便吸引了来自北大各个院系专业同学们的热切关注。这门经典课程的慕课版本已经登录中国大学MOOC！ 3、北京大学在讲课程，提供课件。该课件2022年被评为北京高校“优质本科教材课件”。 4、本书结构清晰明了，图文并茂。 5、本书可以作为高等学校理工科专业学生入门课程的教学用书，也可以作为所有专业学生的素质教育课程教材，还可以作为广大机器人爱好者的科普参考书。