未来机器人也能飞？鸟类是老师

PetFans — Sun, 01 Nov 2009 04:47:04 +0000

机器人飞行要学鸟类

一个关于有翼运动的统一理论也许能解释鸟类和昆虫在半空中那不可思议的机动飞行，并指导飞行机器人的设计。

运用高速摄像机，生物学家们对蜂鸟和天蛾如何在半空中运用翅膀不对称拍打实现慢速转向进行了建模。这个模型预测了其它五种飞鸟如何全速转向，这暗示了飞行生物的转弯可能存在一项通用技术。

“这其实是一个指数率衰减系统，” Ty Hedrick说，他是北卡罗来纳大学的一位动物空气动力学专家。“减速所需的力度与速度成正比。”

从鸟类的中空骨骼到蜻蜓的可折叠翼，虽然科学家们知道了很多基础的飞行增强的生物学原理，但关于转向的生物力学在很多方面仍是一个谜。

不同物种的构造是否存在根本性差异，又或者是基于同一主线的变种，对此研究者们还不确定。Hedrick的发现发表在周四的《科学》上，他认为从恐龙涉足天空起，1.5亿年中的进化压力造就了一个共有的解决办法。

虽然这种动力学无法应用到非常大的级别—-建筑物大小的机器“鸟”不可能和燕子比灵活—-但它们可以用在小型军用或探索用的无人驾驶机上。与蜂鸟或果蝇的平均水平相比，现在的飞行器笨拙而且并不稳定。

“这些结果将会影响到未来所有关于动物机动飞行和仿生飞行机器人的研究。” Bret Tobalske写下了这样的评论，他是蒙大拿大学密苏拉分校的一名生物力学专家。

Hedrick的团队使用1000帧每秒的摄像机来观测天蛾和蜂鸟在进食前的盘旋。在每一次的转向过程中，一侧的翅膀快速向下拍，而另一侧的翅膀则快速向上拍。。

这种不对称使飞行者们在刚开始转向的时候就能减速。速度最快时，效果也最显著。

“在它们开始转动翅膀，停止对称拍击的瞬间，它们的身体就如同刹车闸一样工作。” Hedrick说。

运动的测量提供了一个模型，对不同大小进行调整后，这个模型预测了飞行者们在半空中的运动，其中包括四种昆虫、美冠鹦鹉、蜂鸟和蝙蝠。

在体型相似的动物中，是翅膀拍击的频率—而不是身体的尺寸—控制着转向能力。灵巧的蜂鸟和果蝇完成一次转向所需的双翼拍击次数相同。

“为了理解这个结果的重要性，我们可以对比一下，飞行动物们为了控制空气动力而形成的飞行排列可是多种多样的，” Tobalske写道。“在大部分身体尺寸范围中，拍击反力矩模型都是肯定的，这个事实显示它代表了一个通用的模型。”

这很有可能帮助飞行者们在碰到阵风时恢复平衡，在他们的大脑对扰动做出反应之前提供一个天然稳定器，Hedrick说。

这项研究的合作者，来自Darpa资助的特拉华大学的机械工程师Xin-Yan Deng和Bo Cheng，将应用这项发现完善他们的仿昆虫无人空中交通工具。

至于Hedrick，他接下来准备研究更复杂的空中飞行者的机动机制，也许会在燕子和其他小型鸟类身上装上小型的传感器背包。

“动物们的飞行是那样平稳而优雅，我们甚至没有意识到这本是很难的事，” Hedrick说。“我们很难在机器人上复制这种行为。”

以章鱼为模型的机器人

PetFans — Sun, 25 Oct 2009 13:46:32 +0000

对章鱼的脑瓜儿来说，尽管协调八只独立触手看起来很复杂，真正费劲的则是如何控制触手那些柔韧而变化无穷的运动。现在研究者们已经有些明白它们的这个秘密了。

与我们不同，章鱼大脑运动皮层的特定区域在躯体上并没有特定的部位与之相对应。实际上，每一个区域在不同时间控制不同局部。它们的运动神经网络似乎像它们的身体一样灵活—- 一个扩张神经生理潜力范围的现象，还可能用于改进柔臂机器人的设计。

“我们的研究发现，由于章鱼身体的复杂性和多变性，它可能用了另一种方法来构建控制系统。”来自耶路撒冷希伯莱大学的神经生物学家Benny Hochner 说道，本周四他在当代生物学Current Biology杂志上发表了研究报告。

“它适用于一种自由度更高的构造，而我们的身体是以没有多少自由度的分段骨骼组织为主构建的。”

章鱼怎何控制它的触手，这作为Hochner的工作重心已经超过十年。他参与的一些较早的研究表明那些看起来复杂的运动实际上是单个简单运动的组合。Hochner也发现许多运动是由外周神经在引导，而不是脑部来控制的，就像每个触手都有各自的脊髓一样。

章鱼的脑部发出笼统的指示，触手计算细节：这比大脑完成所有的运算简单多了。这让机器人专家心动不已，他们试图制造一种有着柔性附属体的机器—这种机器特别适用于灾区的救济工作）或者在人体内蜿蜒移动，进行外科手术。

“这个创意是用从生物学获取的灵感去解答问题：怎样在柔性结构中产生运动以及怎样用神经系统控制这种运动。” Hochner说。

在最近的研究中Hochner的团队将金属导线插入（章鱼？）的脑部后通电，测量因而产生的运动，然后解剖这些献身科学的动物，观察电极刺激的准确部位。

他们发现了另外一个模块化的高效的设计实例：每个部位被证实能在不同的触手产生不同的运动，当电流增强时这些运动会变得更复杂。而人体的一大部分则是由单一不变的区域来控制的。“这些神经网络彼此嵌入，并随刺激的变化而改建。这种组织方式并不严格，但是更有活力。” Hochner说。

Hochner 推测，在章鱼身体的其他地方，另外的一种神经程序——或许就在每个触手的根部——扮演着门的角色，阻止或者放行来自大脑的信号。

这个可能性对Cecilia Laschi非常有吸引力。她是一名意大利圣安娜高等学校的生物医学工程师，同时也是章鱼项目Octopus Project的成员之一，这是一个研究构建以章鱼为灵感的软体机器人的团队。

“这对机器人非常重要。如果你造的机器人自由度很高，控制起来就很困难。” Laschi说，她并不曾参与研究。“我们知道有些运动是由外周神经控制，而部分参数则来由脑来设定，我们也会这样构建机器人。”

尽管构建类人形机器人的专家们早已在他们的计算中设法模拟人类大脑的布局，但是Laschi说“我们还没有达到章鱼的那种程度。”