MIT機器人船群將水道變?yōu)樽赃m應(yīng)浮動基礎(chǔ)設(shè)施

受折紙啟發(fā)的磁力鎖扣讓機器船高效連接，同時為移動和計算節(jié)省電池電量。

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一群自主機器人船，它們能自行組裝成漂浮結(jié)構(gòu)，并在極少人工干預(yù)下重新配置。

每艘機器船為21厘米見方，配備獨立的推進器、傳感器和磁力鎖扣，使船隊能像積木一樣在水面上連接。

這套名為 FloatForm 的模塊化系統(tǒng)可以創(chuàng)建可重構(gòu)的漂浮平臺，迅速適應(yīng)不斷變化的需求和環(huán)境。

研究人員表示，這項技術(shù)可支持應(yīng)急響應(yīng)行動、臨時橋梁、漂浮市場、活動舞臺，以及用于河流、運河、湖泊和沿海地區(qū)的其他按需基礎(chǔ)設(shè)施。

去中心化的漂浮機器人

FloatForm 是一個去中心化的集群機器人系統(tǒng)，能讓小型自主機器船自行組裝成更大的漂浮結(jié)構(gòu)，并在極少人工干預(yù)下重新配置。受火蟻在洪水中形成漂浮筏的啟發(fā)，該系統(tǒng)中每臺機器人都會做出本地決策，而不是依賴中央計算機的持續(xù)指令。

大多數(shù)自組裝機器人系統(tǒng)依賴中央控制器協(xié)調(diào)每一個動作，而 FloatForm 則將智能分布到整個集群中。一個輕量級的中央規(guī)劃器會為每臺機器人在目標(biāo)結(jié)構(gòu)中分配最終位置，機器人則通過與附近鄰居交換位置信息，獨立完成導(dǎo)航、避碰和協(xié)調(diào)。這種去中心化方式使所有機器人能同時移動，顯著提高了可擴展性，因為計算負(fù)載僅取決于本地交互，而非機器人的總數(shù)量。

原型機由21厘米見方的機器人船組成，配備呈X形布局的四個全向推進器，可朝任意方向移動并原地旋轉(zhuǎn)。每艘船還搭載了機載傳感器、處理硬件和創(chuàng)新的磁力鎖扣機構(gòu)，能夠自主與鄰近機器人連接和分離。

該鎖扣系統(tǒng)基于受折紙啟發(fā)的拉脹結(jié)構(gòu)，由單個伺服電機驅(qū)動。這一機構(gòu)將安裝在機器人四面上的永磁體推出或縮回，讓相鄰船只能在10到15厘米的間隙內(nèi)相互連接。交替排列的磁極確?？煽康嘏帕谐煞叫尉W(wǎng)格結(jié)構(gòu)。3D打印的齒輪箱可將鎖扣鎖定在接合或脫離位置而不耗電，僅需在鎖扣和釋放過程中消耗能量。這種節(jié)能設(shè)計為推進和機載計算保留了電池電量。

更智能的漂浮集群

工程師們在開發(fā)中還解決了多個穩(wěn)定性難題。強大的推進器最初因機器人自重過低而導(dǎo)致過度旋轉(zhuǎn)，研究人員為此增加了穩(wěn)定鰭以增大水動力阻力，并優(yōu)化了控制算法以補償不同機器人之間的差異。團隊還解決了強磁力吸引帶來的問題，使機器人在收到指令時能夠可靠分離。

在實驗室測試中，由四艘和八艘機器船組成的船隊自主組裝成目標(biāo)結(jié)構(gòu)，斷開連接，然后重新組裝成新形狀，并能作為單一剛性載具集體移動。每次演示耗時4至8分鐘。在10次試驗中，四艘機器人的自主成功率達(dá)到90%，八艘機器人為70%，系統(tǒng)可在無人工輔助的情況下從導(dǎo)航誤差和編隊死鎖中恢復(fù)。計算機仿真進一步證明，這一去中心化協(xié)調(diào)框架至少可擴展至64臺機器人的集群。

研究人員設(shè)想未來版本能夠在運河、河流、港口和近海水域運行，屆時更大尺寸的機器人可搭建臨時橋梁、漂浮作業(yè)平臺、應(yīng)急響應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)或自適應(yīng)停靠站。

密歇根大學(xué)助理教授史蒂文·塞隆在一份聲明中說：“通過將計算負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到機器人自身，他們構(gòu)建了一個更具韌性的系統(tǒng)，在不遠(yuǎn)的未來，這類機器人集群有望被部署到開闊水域環(huán)境中，用于搜索作業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和可重構(gòu)海洋基礎(chǔ)設(shè)施。”

未來的部署將需要更強的鎖扣機構(gòu)和GPS或視覺導(dǎo)航等室外定位系統(tǒng)，但底層的協(xié)調(diào)算法設(shè)計上能與所使用的傳感技術(shù)無關(guān)。

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