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哈佛大学开发机器鱼混入鱼群,成群结队不追尾,还能作“搜索队”!

2021-01-20  AndLib

当机器人混进鱼群,你认得出来吗?

来看看这条可可爱爱的小鱼,七只这样的小鱼在哈佛大学实验室的一个暗淡的水箱中轻轻游动,用它们的大眼睛互相张望。

这条小鱼叫Bluebot,集齐七只Bluebot就可以召唤神龙了!

其实这是哈佛大学约翰 · 保尔森工程与应用科学学院和威斯生物工程研究所的科学家们研发的一组鱼形水下机器人,它们可以像真正的鱼群一样有默契地聚在一起,也可以自动导航并且寻找彼此,并协作完成任务。

这是科学家们第一次利用水下机器人完成复杂的三维集体行为,最近还登上了《Science Robotics》的封面。

灵感来源于浅海鱼群——内隐协调

在浅海区有一种奇妙的景观,一群群“挨挨挤挤”的鱼紧挨彼此、维持队形,它们当中的每一个成员都在不停地游动。人们不禁疑惑,它们总是以如此密集而庞大的阵容快速“行军”,会不会连环追尾或相撞呢?

Bluebot的主要研发人员、哈佛大学的教授Nagpal也产生了同样的疑问,她在一次潜水时看到鱼成群结队地游走,便开始思考:“我们是不是能创造出一个机器人群体,使它们在运动时能具有像鱼群一样的群体一致性?”

其实鱼群的这种行为叫做内隐协调(implicit coordination),这种分散的、具有自主性的自我组织行为成为了哈佛大学团队开发Bluebots的灵感来源。

真鱼还是假鱼?蓝色小精灵混入鱼群

通过 3D 打印,Bluebot被制造成了鱼的形状,研究人员将自主的3D多鳍运动与3D视觉感知结合在一起。

Bluebot的两个大眼睛里隐藏着摄像机,镜头可以从机器人的外壳伸出,将视野最大化,两台摄像头的组合为Bluebot提供了360度全向视野。

一根尾鳍和两个胸鳍可以实现独立的前进和转弯运动,背上的鳍能够控制垂直潜水的深度。

七个Bluebot上下都被装上了蓝色LED灯,化身为蓝色小精灵混入鱼群,由7只小鱼组成的机器人鱼群叫做Blueswarm,它们的大眼睛镜头可以在接近360度的视野中寻找附近的蓝色LED灯光,也就是它的同类。两个灯光之间的距离被设置为距86毫米,有了这些简单的信息,每个Bluebot都可以确定与另一个机器人的距离。

真正模仿鱼群自我组织行为,完成水下搜寻任务

确定和同类之间的距离只能保证它们不会追尾,但如何真正的模仿鱼群的自我组织行为呢?

原来LED光源随着每个机器人所在的位置和周边环境可以散发出不同强弱的灯光,相机和光敏传感器可以帮助机器人作出快速的车载图像处理,这样每条小鱼都可以对其游泳动作和发光情况进行调整,从而自动的将多个Bluebot组织成集群在水中游动。

它还可以构建出一种特殊的模式,让新加入的机器人小鱼不管在任何角度插进队伍都能及时适应“鱼群”的运动状态。

除此之外,研究人员还利用Blueswarm视觉之间的相位匹配,实现了鱼群的搜索任务。

任务是这样的:

第一步是分散,算法将机器人分散开来寻找目标,从而最大化它们的距离,获得更好的覆盖范围,发现目标的机会就会增加。

第二步,目标红色LED指示灯亮起,当一只Bluebot小鱼发现目标时,它开始闪烁自己的蓝色LED,向其同志发出信号;另一个机器人看到闪烁的蓝色,其算法将从分散指令切换为聚合指令,从而将机器人聚集在目标周围。

第三步,所有机器人都找到红光源时,任务结束。

这场搜寻任务持续了90秒:第一只小鱼机器人在20 秒后检测到了目标;然后在10秒钟之内,所有其他机器人都注意到了它的警报,并开始向闪烁的LED迁移;获光源的进入机器人也开始闪烁,以增强警报信号;90 s后,目标被所有机器人包围。

融入自然,开创水下机器人领域的先河

哈佛大学开发的Blueswarm机器人鱼群可以说开创了水下机器人领域的先河,它不仅在外形上对鱼进行了模仿,甚至把鱼的集群行为也模仿得惟妙惟肖,让仿生机器人真正的融入了自然界。

虽然过去也出现过不少有趣的水下机器人,最常见的类型是一种“鱼雷”式机器人,这种机器人在开放水域巡航时效率很高,但不适用于在珊瑚礁或码头的角落和缝隙中巡航。

即使我们可以轻易看出机器人鱼和真正的鱼之间的差别,但在鱼的眼里,它和自己没什么不同,Blueswarm在游动时也不会发出声响而吓走鱼群。

哈佛大学团队的开发人员之一,Berlinger 表示:“机器人通常被部署在人类无法接近,或是危险的地区,在这些地方,人类无法对机器人进行干预。在这种情况下,一个能够自给自足,且具有高度自主性的群体的优势就非常明显。通过对内隐协调和 3D 视觉的使用,我们能够在没有GPS和WiFi支持的水下环境,创建一个具有高度自主性和灵活性的水下系统。”

不过还是有网友担心:“如果被大鱼吃了怎么办?”

对于仿生机器人融入自然这件事,你怎么看?

【论文直通车】

https://robotics.sciencemag.org/content/6/50/eabd8668

END

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