越來(lái)越多的研究旨在開(kāi)發(fā)受自然界啟發(fā)的機(jī)器人

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究旨在開(kāi)發(fā)受自然界啟發(fā)的機(jī)器人，特別是某些動(dòng)物物種。在亞特蘭蒂斯出版社出版的“機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)和人工生命雜志”上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，波爾多大學(xué)和東京大學(xué)的一組研究人員創(chuàng)造了一種類似于蛇形狀和動(dòng)作的機(jī)器人。

“這項(xiàng)研究的主要目的是開(kāi)發(fā)一種用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的機(jī)器人，尤其是脊髓損傷，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員TimothéeLevi告訴TechXplore。“我們想設(shè)計(jì)新的神經(jīng)修復(fù)體，其中人工神經(jīng)元可以取代生物神經(jīng)元。在我們的機(jī)器人中，我們使用仿生尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿生運(yùn)動(dòng)，再現(xiàn)了蛇在自然界中所具有的相同行為。”

開(kāi)發(fā)生物啟發(fā)機(jī)器人的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是有效地再現(xiàn)感興趣的動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)物中，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)是由中央模式生成(CPG)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)產(chǎn)生的。

基本上，CPG是神經(jīng)元電路，當(dāng)激活時(shí)，可以在沒(méi)有感覺(jué)和時(shí)間相關(guān)輸入的情況下產(chǎn)生節(jié)律性運(yùn)動(dòng)模式(例如，步行，呼吸，游泳等)。過(guò)去，CPG及其對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的影響一直是大量研究的焦點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，正在嘗試開(kāi)發(fā)動(dòng)物類機(jī)器人的研究人員使用簡(jiǎn)單的神經(jīng)元模型或振蕩器來(lái)復(fù)制CPG，這些模型不是生物時(shí)間尺度，因此被認(rèn)為是生物激勵(lì)系統(tǒng)而不是生物模擬系統(tǒng)。然而，這些模型僅提供正弦振蕩，因此不能忠實(shí)地再現(xiàn)各種動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模式。

在他們的研究中，Levi和他的同事開(kāi)始使用數(shù)字實(shí)時(shí)神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可以有效復(fù)制生物行為的仿生CPG。他們開(kāi)發(fā)的蛇機(jī)??器人有兩個(gè)關(guān)鍵部件，一個(gè)用作大腦，另一個(gè)用作身體。

“我們的蛇形機(jī)器人可分為兩部分，”Levi解釋道。“第一個(gè)是它的大腦，使用仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常接近生物學(xué)與生物物理神經(jīng)元模型，突觸和可塑性。第二部分是身體，它有不同的”貨車“模型的不同部分脊髓和蛇的部分。信號(hào)由蛇腦產(chǎn)生，并在控制不同馬達(dá)的所有身體中傳播。“

由Levi和他的同事創(chuàng)建的蛇機(jī)器人由仿生CPG網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制。研究人員表明，他們的系統(tǒng)可以連接到生物神經(jīng)元，也可以用來(lái)模擬生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的不同假設(shè)或方案治療，如脊髓損傷和神經(jīng)修復(fù)術(shù)。

“在我看來(lái)，我們研究中最有意義的方面是我們?cè)噲D忠實(shí)于生物學(xué)并成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嵌入到一個(gè)小電子珠中，”Levi說(shuō)。“有趣的是，我們創(chuàng)造的機(jī)器人是實(shí)時(shí)工作的，并且具有與自然界相同的規(guī)格(運(yùn)動(dòng)時(shí)期，可變性，噪音等)。”

未來(lái)，Levi及其同事開(kāi)發(fā)的蛇形機(jī)器人可以在機(jī)器人和其他領(lǐng)域有各種有趣的應(yīng)用。例如，它可以用于更好地理解爬行動(dòng)物的行為，或者它可以具有多個(gè)生物混合機(jī)器人應(yīng)用。

“我們現(xiàn)在正計(jì)劃通過(guò)學(xué)習(xí)規(guī)則在機(jī)器人大腦中添加更多智能，以及使用不同的傳感器，”Levi說(shuō)。“此外，我們的長(zhǎng)期目標(biāo)之一是將人工神經(jīng)元和活神經(jīng)元結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)建一個(gè)生物混合機(jī)器人。”