本月的 Science 子刊 Science Robotics（《科學(xué)-機(jī)器人》）封面，被一群大眼萌機(jī)器魚霸占。

這是來自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、韋斯生物啟發(fā)工程研究所的一組科學(xué)家的最新研究成果。

機(jī)器魚可以像真正的魚群那樣，在沒有任何外部控制的情況下同步運(yùn)動(dòng)。

水下仿生機(jī)器人的群體智能

2021 年 1 月 13 日，相關(guān)成果正式發(fā)表于 Science Robotics，論文題為 Implicit coordination for 3D underwater collective behaviors in a fish-inspired robot swarm（受魚群?jiǎn)l(fā)的機(jī)器人水下三維集體行為的隱式協(xié)調(diào)）。

從論文標(biāo)題就可看出，哈佛科學(xué)家們的這項(xiàng)成果主要受到了魚群的啟發(fā)。

自然界中，魚群傾向于表現(xiàn)出復(fù)雜的、同步的行為，這有助于它們覓食、遷徙、躲避捕食者。它們內(nèi)部的神奇之處在于，不需要某條“領(lǐng)頭魚”來協(xié)調(diào)動(dòng)作，魚群間也不存在交流——它們的集體行為來自于一種所謂的「隱式協(xié)調(diào)」（implicit coordination）機(jī)制，在這種機(jī)制下，魚會(huì)根據(jù)周邊小伙伴的行為做出決定。 

據(jù)哈佛大學(xué)官方介紹：

這種分散的、自主的組織協(xié)調(diào)，長(zhǎng)期以來一直吸引著科學(xué)家們，特別是機(jī)器人領(lǐng)域的專家。

其實(shí)，在水下仿生機(jī)器人方面，我國科研人員也在做類似研究，比如北京大學(xué)工學(xué)院謝廣明教授。在他看來，研究仿生機(jī)器人既要注重單體的研發(fā)，也要注重群體技術(shù)的研發(fā)。

在 2018 CCF-GAIR 全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)期間，謝廣明教授曾表示：

魚群的自主協(xié)調(diào)并不是因?yàn)楹猛婊蚴菉蕵?，唯一的目的是在惡劣、有限的資源環(huán)境下生存下去。很多計(jì)算機(jī)專業(yè)的可能都知道粒子群優(yōu)化算法，而在生物界，通過群體的方式讓整個(gè)種群延續(xù)下去這種行為是一個(gè)很值得研究的問題，即群體智能，群體智能也是人工智能很重要的研究分支。

研究人員用動(dòng)畫描述了群體智能，形成平面模型，再將其進(jìn)一步擴(kuò)展到三維模型?；诖?，機(jī)器魚也可以擁有類似的群體特性——當(dāng)時(shí)謝廣明教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用三條魚的自主協(xié)調(diào)效果。

3D 視覺感知

回到哈佛的研究，他們將研制出的水下機(jī)器人稱為 Bluebot，它們形成的群體則為 Blueswarm（7 只 Bluebot）。 

據(jù)了解，Bluebot 結(jié)合了自主 3D 多鰭運(yùn)動(dòng)和 3D 視覺感知，具體的設(shè)計(jì)為：

• 2 個(gè)攝像機(jī)，覆蓋近全向視場(chǎng)角（FOV）。

• 4 個(gè)鰭片，由定制的電磁驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力：一條尾鰭和兩條胸鰭幾乎可以獨(dú)立地向前和轉(zhuǎn)動(dòng)，背鰭影響著對(duì)垂直潛水深度的控制。

• 3 個(gè) LED 燈，用于相互識(shí)別。

如上圖最下面一行所示，研究人員通過對(duì)攝像機(jī)的設(shè)置，使得相鄰 Bluebot 的兩個(gè)后置 LED 及其潛在的表面反射出現(xiàn)在圖像中，并對(duì)圖像進(jìn)行快速處理。不同 Bluebot 的兩個(gè) LED 使用了不同的顏色進(jìn)行編碼，且有著白色輪廓；如果是同色無輪廓標(biāo)記的情況，則意味著兩個(gè) Bluebot 在各自反射。

通過這一套水下視覺協(xié)調(diào)系統(tǒng)，Bluebot 可通過相機(jī)檢測(cè)到距離最遠(yuǎn)為 5 米的相鄰 Bluebot 的 LED 信號(hào)，再通過自定義算法提取其相對(duì)位置、距離等信息，實(shí)現(xiàn)局部決策（local decision-making），促進(jìn)自組織行為，如視覺同步、分散/聚集、動(dòng)態(tài)形成圓圈和集體搜索等。

論文中，哈佛團(tuán)隊(duì)將 Blueswarm 與多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的群體機(jī)器人群體進(jìn)行了比較，主要的 4 個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是：

• 應(yīng)用場(chǎng)景（水、陸、空）

• 干預(yù)（無干預(yù)、位置、計(jì)算）

• 協(xié)調(diào)（隱式、顯式、間接、無協(xié)調(diào)）

• 結(jié)構(gòu)（同類、異類）

結(jié)果表明，Blueswarm 不依賴于任何幫助，且比大多數(shù)群體機(jī)器人更自主，推動(dòng)了分散、自組織的群體機(jī)器人研究從二維空間到三維空間的突破。

基于上述表現(xiàn)，哈佛大學(xué)對(duì)這一成果的描述是：

首次在水下機(jī)器人中演示具有隱式協(xié)調(diào)的復(fù)雜三維集體行為。（It is the first time researchers have demonstrated complex 3D collective behaviors with implicit coordination in underwater robots. ）

論文一作、博士生 Florian Berlinger 也表示：

鑒于機(jī)器人常被部署在人類無法進(jìn)入的或危險(xiǎn)的地區(qū)，人類干預(yù)是不現(xiàn)實(shí)的。這種情況下，擁有自給自足的、高度自主的群體機(jī)器人，真的會(huì)讓我們受益。通過隱式協(xié)調(diào)和 3D 視覺感知，我們創(chuàng)建的系統(tǒng)解決了在水下無法使用 GPS 和 WiFi 等設(shè)備的難題。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究將幫助科學(xué)家們繼續(xù)探索微型水下群體機(jī)器人的開發(fā)，主要用于執(zhí)行水下環(huán)境（如珊瑚礁）監(jiān)測(cè)和搜索。

未來水下機(jī)器人還將如何發(fā)展，我們拭目以待。

引用來源：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/50/eabd8668

https://www.seas.harvard.edu/news/2021/01/robotic-swarm-swims-school-fish

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