在海洋中,我們常常能夠看到這樣一種景象:成千上萬(wàn)的魚(yú)群聚集在一起,進(jìn)行十分和諧卻又似乎毫不費(fèi)力的游動(dòng)。這種讓人印象深刻的集體行為,通常發(fā)生在魚(yú)群進(jìn)行簡(jiǎn)單潛水、集體遷徙、躲避捕食者、閃電擴(kuò)張等具體情境中。
研究人員在對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作后發(fā)現(xiàn),這些集體行為主要依靠一種隱形協(xié)調(diào)機(jī)制。在這種隱形協(xié)調(diào)中,個(gè)體魚(yú)類(lèi)能夠?qū)Ω浇摹班従印边M(jìn)行視覺(jué)觀察,甚至利用身體側(cè)線感知鄰居,并且在不需要明確交流的情況下就能完成水下通信、覓食遷徙等決策。
相比之下,現(xiàn)有的大多數(shù)水下機(jī)器人則更多地依賴水上的、集中的、明確的溝通,能夠協(xié)調(diào)的復(fù)雜性有限。那么魚(yú)群中體現(xiàn)出的這種分散的、自組織的、高度自治的協(xié)調(diào)方式,長(zhǎng)期以來(lái)吸引著機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中科學(xué)家們的興趣。
近日,哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和威斯(Wyss)生物啟發(fā)工程研究所的科學(xué)家們就從魚(yú)群當(dāng)中獲得靈感,并研發(fā)出了一批魚(yú)類(lèi)機(jī)器人。這些機(jī)器人不僅外表看起來(lái)像魚(yú),還可以像魚(yú)群一樣在海洋中完成集合運(yùn)動(dòng),且不受任何外部控制。與此同時(shí),研究人員還利用這些機(jī)器人,首次展示了具有隱形協(xié)調(diào)特征的復(fù)雜三維集體行動(dòng)的運(yùn)作過(guò)程。
這項(xiàng)研究的論文是由 Florian Berlinger 博士和前威斯技術(shù)開(kāi)發(fā)研究員 Melvin Gauci 博士共同撰寫(xiě)的。海軍研究辦公室、威斯生物啟發(fā)工程研究所和亞馬遜 AWS 研究獎(jiǎng)項(xiàng)在一定程度上為其提供了支持。該論文已于 1 月 13 日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)上。
這些機(jī)器魚(yú)整體被命名為 Blueswarm,是在 SEAS 的計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院教授和威斯學(xué)院的助理研究員 Fred Wavli 的實(shí)驗(yàn)室 Radhika Nagpal 中誕生的。Nagpal 實(shí)驗(yàn)室是研究自組織系統(tǒng)的先驅(qū),長(zhǎng)期以來(lái)從事自組織行為的研究,曾經(jīng)研發(fā)出 1000 個(gè)名叫 kilobot 的機(jī)器人群,并受白蟻啟發(fā)研制出機(jī)器人施工隊(duì)。
但是必須要說(shuō)明的是,先前研發(fā)出的大多數(shù)機(jī)器人群都只能在二維空間中進(jìn)行操作,如水和空氣等的三維空間對(duì)傳感和移動(dòng)等方面有著更高更難的要求與挑戰(zhàn)。
圖 | 機(jī)器魚(yú)(來(lái)源:Science Robotics)
正如這篇論文的第一作者弗洛里安·柏林格(Florian Berlinger)博士說(shuō)的那樣:“通常情況下,機(jī)器人被部署在那些人類(lèi)無(wú)法接近或危險(xiǎn)的區(qū)域,甚至可能是人類(lèi)完全無(wú)法干預(yù)的區(qū)域。在這種條件下,擁有一個(gè)能夠自給自足并且具備高自治性的機(jī)器人確實(shí)對(duì)人類(lèi)很有幫助。通過(guò)使用隱形協(xié)調(diào)和 3D 視覺(jué)感知,我們能夠創(chuàng)建一個(gè)在水下具有高度自治性和靈活性,且即使在 GPS 和 WiFi 等信號(hào)無(wú)法發(fā)揮作用的情況下仍不受影響的系統(tǒng)。”
在機(jī)器魚(yú)項(xiàng)目的研究過(guò)程中,為了克服這些挑戰(zhàn),研究人員做了一系列相關(guān)工作。首先,研究人員將單個(gè)機(jī)器魚(yú)命名為 Bluebot,給它們都裝上藍(lán)色的 LED 燈,并基于此開(kāi)發(fā)了一個(gè)和視覺(jué)相關(guān)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)。然后,每一個(gè)機(jī)器魚(yú)都事先配備了兩個(gè)攝像頭和三個(gè) LED 燈。
在水下作業(yè)中,魚(yú)眼處的鏡頭相機(jī)主要負(fù)責(zé)偵查相鄰 Bluebot 的 LED 燈,并使用自定義算法確定它們之間的距離、方向和航向。通過(guò)對(duì) LED 燈光的檢測(cè),研究人員能夠充分實(shí)現(xiàn)令 Blueswarm 表現(xiàn)出如聚集、分散、形成環(huán)狀等復(fù)雜的自組織行為的目標(biāo)任務(wù)。
圖 | 機(jī)器魚(yú)結(jié)構(gòu)圖(來(lái)源:Science Robotics)
弗洛里安·柏林格博士說(shuō):“每一個(gè) Bluebot 都可以對(duì)鄰居的位置做出隱形反應(yīng)。所以,如果我們想要這些機(jī)器人聚集在一起,那么每個(gè) Bluebot 就會(huì)在計(jì)算出它每一個(gè)鄰居的位置后朝中心移動(dòng);如果我們想要這些機(jī)器人分散開(kāi)來(lái),這些 Bluebots 就會(huì)做相反的工作;如果我們想要它們作為一個(gè)整體,成環(huán)狀地游泳,它們就會(huì)先被按照順時(shí)針的方向編程,然后跟著前方的燈光行進(jìn)。
不僅如此,研究人員還用燈箱中的紅燈模擬了一個(gè)簡(jiǎn)單的搜索任務(wù)。研究人員先使用分散算法,讓 Bluebots 在水箱中四處散布,直到能夠靠近并成功檢測(cè)到光源為止。一旦 Bluebots 檢測(cè)到光線,它的LED燈就會(huì)開(kāi)始閃爍,從而觸發(fā)算法。這樣一來(lái),信號(hào)機(jī)器人周?chē)蜁?huì)聚集起來(lái) Bluebots。
Nagpal 實(shí)驗(yàn)室表示:“Blueswarm 項(xiàng)目的研究成果可以作為研究水下自組織集體行為的重要里程碑。在這項(xiàng)研究中得到的成果將會(huì)在未來(lái)幫助我們開(kāi)發(fā)微型的水下群,機(jī)器魚(yú)們可以在例如珊瑚礁這樣視覺(jué)豐富但脆弱的環(huán)境中進(jìn)行搜索和監(jiān)測(cè)。同時(shí),該研究還通過(guò)綜合再現(xiàn)集體行為,為更好地了解魚(yú)群鋪平了道路?!?/p>
未來(lái),這些機(jī)器魚(yú)將能集體行動(dòng),完成搜索失事飛機(jī)殘骸、遇難船只和落水人員等單項(xiàng)任務(wù),甚至在環(huán)境監(jiān)測(cè)、水域和珊瑚礁搜索等方面發(fā)揮不可忽視的重要作用。
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