走进章鱼机器人：这条“八爪鱼”指引着软体机器人的未来

编者按：本文由雷锋网 (搜索“雷锋网”公众号关注) 编译自IEEE Spectrum，原文作者为意大利圣安娜高等学校机器人实验室负责人、Octopus Integrating Project负责人Cecilia Laschi。

当我们实验室的学生第一次让章鱼机器人下水时，我很紧张。那时，阳光照射在地中海的碧波上，我望着机器人慢慢沉入水底，根据指令做出游泳、爬行等动物。当我命令它进入甲板下的一片狭小的空间时，它灵活地收缩着身体，轻而易举地钻进那片窄窄的间隙。

迄今为止，人类已经创造了很多机器人，它们大多数在工厂中，根据指令协助人类完成工作。但是，机器人需要走出这些环境，去探索更非主流的地方，比如海底或火星表面。而要在这些地方发光发热，机器人必须有一个灵活的身体，能够根据不同的环境作出调整。

这样一来，打造软体机器人显得格外重要。为了实现目标，我们将目光转向了动物领域。动物适应性强，身体通常由软体物质构成，身体组织可以随着环境的变化而变化。

因此，我发起了“章鱼综合项目（Octopus Integrating Project）”，联合欧洲、以色列等实验室致力于章鱼机器人的研究。

为什么要选择章鱼作为研究对象？

章鱼没有内外骨骼，其八只爪子能够伸向四面八方，能紧紧地缠绕物体，能自由伸长或缩短、变软或变硬。它非常灵活，能随着环境的变化自如地变化着身体。

我们想要打造一款像章鱼一样灵活的机器人，首先，我们需要学习章鱼爪的肌肉性静水骨骼，它是章鱼灵活身体的关键。在深究了章鱼的生物特征之后，我们的难点就是如何将这些生物知识转换为工程知识。我们雇佣了一位海洋生物学家来测量章鱼爪，能根据此制作计算机模型，以此来指导我们的实验。接着，我们开始试验软体发动机，来模仿动物肌肉。

要打造章鱼肌肉，主要有四个方法。

方法之一，便是使用一种叫做“电子动力聚合物（EAP）的物质来打造人造肌肉，这种物质一层软性材料，上下各有一个电极。当接上电流，EAP就变成了电容器，两个电极便收紧，将中间的软性材料挤到两边。欧洲的一支研究团队现在已经打造出了EAP制作的人造肌肉。

方法之二是使用液体制动器，它能自由地设计形状，灵活地安排电隔室，让机器人手臂自由弯曲，作出更复杂的动作。

方法之三甚是有趣：用颗粒材料（如沙粒，甚至咖啡），而不是液体，来制造机器人手臂。这种方法也可以实现机器人的自由收缩和伸展。

而我们最感兴趣的，是方法之四：使用一种叫做形状记忆合金 （SMA）的物质来打造人造肌肉。当温度升高时，SMA可以变成特定的形状，它还会“记住”这种形状。我们通过电流产生热量来加热SMA，让它变成真正章鱼的形状。同时，它能“记住”各种不同的形状，这样就能实现弯曲、变短、身长、抓取物体等动作。

我们知道，要成功打造一只章鱼机器人，并不是一件易事。但我们知道，如若成功，我们将会造福很多人。章鱼机器人的用途很广，它能帮助人类进行水下修理。当船底破损，修理将成为一件危险、困难、昂贵的事。这时，章鱼机器人将能完美地解决这个问题。

同时，章鱼拥有很高的智商。相比于其他的软体动物，章鱼的大脑和神经系统发展地更为完善，不过仍然有着自己的限制。因此，我们很惊讶它的八只爪子的独立活动范围能够如此之大。因此，我们的下一个挑战就是研究章鱼如何控制爪子，这样才能帮助我们打造高度灵活的章鱼机器人。

生物学家已经发现：章鱼的大脑并不会接受每一个微小的指令，它们大脑上的神经元比末梢区域系统的神经元要少得多。因此，生物学家相信章鱼的大脑能够对动作作出反应，而低端的动作中心能够控制更加精确的神经肌肉活动。实验显示：即使你控制章鱼大脑的神经元，它的爪子还是能够随着外界的刺激而作出反应。

我们还有一个更有趣的发现：章鱼的四肢并不需要完整的指令来作出相应的活动。因为经过数百万年的进化，章鱼的身体已经能够根据环境来作出对自己有利的反应。这种概念被机器人学家称为“形态计算（ morphological computation）”，被人工智能研究者称为“天生智能（embodied intelligence）”。

我们从中得到启发：我们要设计出身体能够自动根据环境反应、作出某些动作的机器人，这样一来，极度简单的指令也能够让机器人完成复杂的任务。

我们对海洋动物的动作进行了研究，并模仿它们的运动形式来设计章鱼机器人。我们发现，海洋动物在控制每一个四肢的时候都经过了多个计算指令，这样看来，我们的章鱼机器人要控制八只爪子，需要作出大量的计算指令。对于一般的机器人来说，四肢的每一个自由动作需要一个制动器，但是我们的章鱼机器人拥有自由来应用控制策略。

我们决定尊重章鱼的进化特征，来打造不需要复杂控制指令的机器手臂。首先，我们制作了数学模型，来测试不同层面的手臂设计，包括运用材料的不同密度、坚硬度、形状、人造肌肉的放置位置等等，所有这些因素需要结合水下的环境来具体问题具体分析。它们会根据水温的变化作出何种反应？水深和水压会影响到它们的活动吗？洋流和漩涡会影响到它们吗？为了解答这些问题，我们在模型中加入了流体动力学因素。

于是，我们进一步做了实验。实验结果非常令人欣喜：要控制章鱼机器人非常简单，我们能够模仿真实海洋动物的活动方式来打造它。我们成功打造了一个章鱼机器人原型，用电缆来取代SMA，用硅树脂来打造章鱼爪，每一只爪子中包含一支钢制电缆，它能自动拉长或是缩短。爪子的每一个简单动作都能提供能量。

在我们设计章鱼机器人的过程中，我们进行了大量的成熟计算。但是当机器人真正开始行动时，我们发现它的构造其实很简单：只有一只简单的“大脑”（或是微型控制器）和八只爪子。它的每一个动作，都进行了形态学计算。

我们将原型叫做PoseiDrone，在它诞生之后，我们将它带到了地中海，研究了它在完成每一个任务时的能力，例如一边抓取着一个物体一边爬行，或是在游泳的过程中突然张开爪子。我们非常骄傲它能克服海浪的侵扰，还能顺利地完成任务。

Via: IEEE Spectrum