结合机器学习的有界空间中机器人蟑螂的运动优化

你有没有想过为什么像蟑螂这样的昆虫喜欢在黑暗中停留或减少活动?有些人可能会告诉你这叫做畏光，这是一种深深地刻在他们基因中的习惯。另一个问题是我们是否可以纠正蟑螂的这种习性，即在黑暗中移动就像它们在明亮的背景下移动一样。大阪大学的科学家们或许已经用肯定的答案回答了这个问题。他们通过将蟑螂变成半机械人解决了这个问题。他们在Cyborg and Bionic Systems杂志上发表了这项研究。

经过数百万年的进化，自然动物被赋予了在恶劣环境中生存和繁衍的卓越能力。近年来，这些动物启发机器人专家开发自动机器以重现这些已消失的部分能力，即受生物启发的仿生机器人。这条道路的替代方案是直接在这些自然动物身上构建可控机器，通过将刺激电极植入它们的大脑或周围神经系统来控制它们的运动，甚至看到它们所看到的，即所谓的半机械人。在这些研究中，机器人昆虫因其可用性、更简单的神经肌肉通路以及更容易侵入性刺激周围神经系统或肌肉的操作而受到越来越多的关注。

蟑螂具有惊人的运动能力，明显优于任何类似大小的仿生机器人。因此，具有这种敏捷运动能力的机器人蟑螂适合在传统机器人难以进入的未知和非结构化环境中执行搜索和救援任务。

“蟑螂更喜欢呆在黑暗、狭窄的地方，而不是明亮、宽敞的地方。此外，它们往往在较热的环境中更活跃。” 研究作者、大阪大学机械工程系机器人专家 Keisuke Morishima 解释说，“这些自然行为将阻碍蟑螂在未知和废墟下的环境中用于搜索和救援应用。很难在黑暗或没有光线的区域应用连接到它们的迷你直播摄像机进行实时监控。”

“这项研究旨在优化机器人蟑螂的运动表现。” 森岛说。为此，他们提出了一种基于机器学习的方法，通过 IMU 测量自动检测这种电子蟑螂的运动状态。如果蟑螂在黑暗或较冷的环境中停止或冻结，则会对它们的大脑施加电刺激以使其移动。

“使用这种在线检测器，可以最大限度地减少刺激，以防止蟑螂因过多的刺激而疲劳，”大阪大学机械工程系 Morishima 的同事 Mochammad Ariyanto 说。

这种将电刺激限制在必要情况下的想法(由 AI 算法通过机载测量确定)在直觉上是有前途的。“我们不必像控制机器人那样控制半机械人。他们可以有一定程度的自主权，这是他们敏捷运动的基础。例如，在救援场景中，我们只需要在蟑螂走错路时刺激它转向，或者在它意外停止时移动。” 森岛说。

“配备了这样的系统，半机械人成功地将其平均搜索率和行进距离分别提高了 68% 和 70%，同时停止时间减少了 78%。” 研究作者说。“我们已经证明，对蟑螂的尾丝进行电刺激是可行的，它可以克服它的先天习性，例如，在通常会减少运动的黑暗和寒冷环境中增加运动。”

“在这项研究中，cerci 受到刺激以触发马达加斯加嘶嘶蟑螂 (MHC) 的自由行走运动。” 研究作者说。也就是说，施加的刺激驱使蟑螂随机移动。

展望未来，研究人员打算探索更准确的刺激运动反应，可能控制电子蟑螂的移动方向，为现实世界的搜救场景铺平道路。

研究团队包括来自大阪大学工程研究生院机械工程系的 Mochammad Ariyanto，吹田 565-0871 和 Diponegoro 大学工程学院机械工程系，印度尼西亚三宝垄，50275，Chowdhury Mohammad Masum Refat 、Kazuyoshi Hirao 和 Keisuke Morishima，大阪大学工程研究生院机械工程系，吹田 565-0871。

该研究由科学促进会科学研究资助金 (KAKENHI) 和科学技术厅 Moonshot 研究与开发计划资助。

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