Sci. Robot.發表突破性20足機器人，動態各向同性接近理論極限

對稱性在自然界中無處不在，從脊椎動物的雙邊形態到海星的輻射幾何形狀。幾十年來，機器人學家們一直試圖通過模仿人類、狗或昆蟲等生物的身體來復制這些形狀及其能力。

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突破傳統：從形態對稱到功能對稱

現在，杜克大學的研究團隊認為，真正重要的不是機器人的外觀，而是它在空間任何維度中行動的均勻程度。在這一概念的指導下，一支研究團隊模擬了超過1500種機器人配置，最終得出了一個接近其理論最大值的設計。

其成果就是Argus：一個沒有前、沒有后，擁有20條從中央核心輻射出來的模塊化伸縮腿的機器人，每條腿的末端都帶有一個深度攝像頭。與其他商業機器人相比，它的外形更接近海膽，而這一設計被驗證是堅固耐用的。

Argus可以穿越森林、潮濕表面和沙地；在被推動后能迅速自我穩定；可以即時地向任何方向重新定向；能在緊密的墻壁之間垂直攀爬；甚至可以在給定空間內搬運和推動有效載荷。

近日，該研究成果發表在國際權威期刊《科學·機器人學》（Science Robotics）上。

“觀看Argus移動，與我們合作過的任何其他機器人都不同，”研究人員說。“當我們第一次看到它在樹木和崎嶇地形中導航，甚至在劇烈碰撞下依然行進時，我們就知道，這是一種與眾不同的東西。”

Argus獨特能力的核心，是該團隊命名為“動態各向同性”（dynamic isotropy）的一個新的、通過數學推導出的設計原則。該術語根據機器人向各個方向加速其質心的均勻程度，給出一個從0到1的分數。當今使用的大多數機器人，包括最先進的四足機器人、人形機器人和傳統無人機，得分都低于0.6。Argus的得分則高達0.91，接近理論最大值。

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全向設計帶來卓越性能

在為獲得Argus設計而進行的模擬中，團隊表明，隨著動態對稱性向其理論極限上升，機器人在幾乎所有對機器人學至關重要的衡量標準上性能都會提高。這包括軌跡跟蹤、魯棒性、能源效率、抗損傷能力以及在困難地形上的成功率。該原則就像一個統一的標尺，可以應用于現有的平臺。

“大多數機器人研究都將對稱性框定為身體形態的問題，但我們認為，更強大的對稱性在于機器人‘能做什么’的層面，”研究人員說。“當一個機器人可以在每個方向上都同樣好地加速時，它就不再需要以任何特定的方式來面對世界。前進和后退變得相同，左和右也變得相同。整個機器人控制問題的性質都改變了。”

Argus的名字來源于希臘神話中全視之哨兵，它將全身驅動與全身感知相結合。它的20條模塊化、伸縮式、配備攝像頭的腿，分布在一個正十二面體（一個有12個五邊形面的三維形狀）的頂點上。這種設置產生了極強的瞬時加速度均勻分布和極強的全向視野。

這種設計所帶來的能力是驚人的。在杜克大學校園、沙地和森林小徑的實驗中，Argus展示了僅從模擬中就學到的廣泛能力：

• 無論其方向如何，都能在混凝土、草地、茂密的樹葉、柔軟的沙地、潮濕的表面和樹皮上滾動，包括高達五英寸的障礙物；
• 在被推動后能迅速穩定自身；
• 通過在即使三條腿損壞的情況下繼續移動來適應損傷；
• 以接近全速的速度攜帶10磅的有效載荷；
• 通過交替使用不同子集的腿進行支撐和推動，在平行的垂直墻壁之間攀爬；
• 在持續滾動的同時，追蹤并推動一個三英尺的立方體。
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發現式機器人學的新篇章

這些成功遠不止于Argus本身，Argus的創造目的既是為了展示這些設計概念，也是為了探索和學習它們。團隊強調，動態對稱性是一個通用框架，它提供了一種數學方法來評分和比較各種機器人，并從頭開始設計新機器人。隨論文發布的1500種形態的模擬掃描數據，允許其他研究小組直接探索這一設計空間。

“Argus是一個存在性證明，”研究人員說。“它表明，為動態對稱性而設計不僅僅是一種理論上的好奇。它能創造出一種你可以部署在野外、不平坦地面和雜亂環境中的機器人，甚至在低重力環境中也同樣適用。它改變了可能性。”

“我們視Argus為一個更廣泛的動態對稱機器家族的第一個成員，”“未來的機器人不需要模仿狗或人才能變得敏捷、堅固和有用；它們是從一個更深層次的原理中設計出來的；這個原理與自然界用來構建從病毒到海星等一切事物的原理是相通的。”

據悉，這項工作是“發現式機器人學”（Discovery Robotics）這一長期使命的一部分，即通過構建能夠學習、行動和協作的機器來發現世界是如何運作的。在大多數機器人研究為執行預定義任務而設計機器人時，研究團隊則將機器人設計為發現的工具，能夠揭示關于它們自身、它們的環境以及支配這兩者的物理學的新原理。

“我們不只是想要能聽從指令的機器人，”研究人員表示。“我們想要的是能幫助我們學習到用其他任何方式都無法學到的關于世界知識的機器人，而這有時首先意味著要為問題本身，發現正確的身體。