模仿脊椎動物的機器人：運動神經網路觸發行走、游泳

原文：Robot mimics vertebrate motion
翻譯：趙屹華
責編：周建丁（zhoujd@csdn.net）

機器人Pleurobot（圖片來自：洛桑聯邦理工大學）

瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）的科學家最近新研製出了一款機器人“Pleurobot”，這款機器人能夠精細地模擬蠑螈的行走和游泳行為。

除了概念炫酷之外（今後還可能成為迪士尼的賣點之一），研究人員相信，機器人的設計方案將提供一種新的工具，有助於瞭解脊椎動物的運動的演化。這能使我們更好地理解脊髓是如何控制身體的運動，它將有助於癱瘓和截肢病人的康復治療和假肢研發。

機器人Pleurobot模擬蠑螈。神經生物學家說，脊髓的電刺激決定蠑螈是行走、爬行還是游泳：電刺激等級最低時，蠑螈將會行走；刺激不斷提升，頻率加快，超過某個閾值之後蠑螈開始游泳。（圖片來自：洛桑聯邦理工大學）

3D模擬蠑螈的運動需要滿足特別高的精度要求。生物機器人實驗室的科學家起初從頂部和側面拍攝有肋螈這種蠑螈的精細射線視訊，當蠑螈在水中或是陸地上運動時跟蹤其骨架上的64個關鍵點。

接著，Auke Ijspeert與他的團隊製作了3D列印的骨骼和活動關節，並且用電子電路開發了一套“神經系統”，使得Pleurobot能夠行走、爬行，乃至在水中游泳。

Ijspeert認為Pleurobot的設計方式將有助於開發其它型別的“生物機器人”，這將成為神經科學和生物力學領域的重要工具。

發表在皇家學會雜誌《Interface》上的這項研究已經獲得了來自瑞士國家機器人研究中心（NCCR）和瑞士國家自然科學基金的科研經費。

視訊參考：https://youtu.be/jMWMJ1wv9w4（科學上網）

論文摘要

機器人作為一種技術工具，越來越多地應用於動物運動的研究中。然而，因為動物骨骼肌肉系統的複雜性和當前機器人技術的限制，設計一個能夠恰當模擬動物運動和動態特性的機器人則是困難重重。我們結合了高速射線運動攝製、系統優化、動態擴充套件、三維列印和高階伺服電機等技術提出了一種構造機器人Pleurobot的設計方案：一種高度模仿蠑螈生物特性的機器人——Pleurodeles waltl。我們在之前的機器人上進行測試，驗證了通過肢體和脊椎的運動神經網路來觸發基本游泳和行走運動的假設。我們基於Pleurobot所演示的設計方案有助於研究更豐富的蠑螈運動技能。我們特別關注的是如何用更多的下級通道和更詳細的肢體中樞模式發生器網路來擴充我們的脊髓模型，從而掌握更多的運動技能。Pleurobot是一款動態縮放兩棲蠑螈機器人，自由度多達27個。基於我們的設計方案，這款機器人可以實現動物的絕大多數自由度和活動範圍，尤其是四肢的活動。我們從X射線視訊中提取的原始運動資料，控制機器人的關節在水中和陸地上的基本運動。機器人的相對前進速度和橫向位移與動物的行為資料高度匹配。行走過程中的地面反作用力也類似於動物的地面反應力。我們因此預計，Pleurobot的設計方案會極其有助於今後對蠑螈運動技能的研究。

參考文獻：

K. Karakasiliotis, R. Thandiackal, K. Melo, T. Horvat, N. K. Mahabadi, S. Tsitkov, J. M. Cabelguen, A. J. Ijspeert. From cineradiography to biorobots: an approach for designing robots to emulate and study animal locomotion. Interface 2016 DOI: 10.1098/rsif.2015.1089

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