你可以在18小时内创造一个。机器人？
来自江苏90后科学家杜涛意识到了这一点。这是一只海星。机器人(以下简称“海星”)，看起来像真的海星。
他告诉DeepTech，以前很多海底。机器人由于外形奇特，在执行水下探测任务时，经常会惊吓到水下生物，而这次，机器人仿生建模可以解决上述问题。
其中，杜涛和他的合作者提出了一个快速生产和控制“海星”的软硬件实验平台。
他们的硬件设计和C++与Python开发的机器学习算法系统，可以在18小时内完成从准备、仿真、系统辨识、轨迹优化的全过程。
海星在水槽中测试时，相关的实际性能数据会反馈到计算机模型中，可以进一步优化。如此往复，几个小时就能生产出功能性产品。
此外，它只需使用单个低功率致动器就可以移动，通过四条腿中的肌腱运动，可以带来交替的挤压和腿部释放，从而实现安静高效的游泳。
“海星”是这部作品中核心算法的硬件平台。目前主要由硅胶泡沫、单个小功率电机、四条腿和相连的肌腱组成。
“海星”前肢肌腱与一个低功率电机相连，可以挤压和释放，从而使机器人可以安静地移动，在水中有效地游泳。
在准备“海星”的时候，利用CAD设计软件OnShape对“海星”的身体进行设计，然后制作一个模具，在模具中灌入硅胶泡沫，定型后得到“海星”的身体。
当在水中时，硅胶泡沫具有良好的弹性和浮力。在这项研究中使用新算法后，“海星”在水中的移动速度比手工调试的控制器快了4倍。
“海星”每条腿里面都有一根高强度的钓鱼线。你可能很好奇钓鱼线是如何植入“海星”体内的。具体来说，首先从每条腿的趾部向舵机方向插入一根空心导管，将钓鱼线放入导管内。导管拔出后，钓鱼线就可以输送给“海星”了。 体内。
进入后，鱼线的一端固定在海星的脚趾上，另一端聚集在海星背部的舵机上。舵机转动时，可以同时收回四根钓鱼线，使其四条腿同时收缩或伸直。
“海星”的快速游动是第一目标。
关于海星的固液耦合，杜涛使用了一个经验公式来模拟海星和水流之间的耦合，并使用微观模拟工具来微调建模过程中的参数。
这项研究的主要目的是让“海星”游得尽可能快。一般来说，这个任务的完成主要分为两步。
第一步是对系统有一个好的建模，也就是理解机器人基本信息，所以他有测量机器人体积、重量、密度和杨氏模量(衡量材料硬度的单位)的大致范围用于模拟海星。
具体来说，就是让“海星”在实验中进行简单的控制信号，与水流进行一些互动。在获得实验数据后，利用微分仿真工具使仿真中的“海星”物理模型执行相同的控制信号。
该算法通过分别在仿真环境和实验环境中观测轨迹，不断调整建模参数，从而使物理系统建模更加准确。
可微分仿真工具的优势在于，不仅可以正向模拟“海星”的轨迹，还可以计算出它与真机实验中轨迹之间的误差值，反向传导误差。机器人参数的梯度。通过充分利用这些梯度信息，可以更快速有效地调整建模参数。
第二步是求解轨迹优化，在建模的基础上提出新的控制信号。此时，应该已经按下了结束按钮，但是杜涛打算多次迭代，以形成循环并改进模型猜测。
克让机器人迭代算法
具体来说，他的算法可以通过改进模型参数的估计来产生新的控制信号，并将其部署在真机实验中。此时，“海星”可以执行新的通信信号，从而产生更多的数据，进一步提高模型的预测和评估。
他告诉DeepTech，研究的重点是算法，“海星”只是验证算法成功的工具。与传统方法相比，最令人兴奋的部分在于算法的逐步迭代过程。
在第一次迭代中，即使多次使用人工调试后的控制信号，“海星”也只能向前移动一小段距离。即使收集了更多的数据，并且这些数据在仿真中拟合得很好，也只是在低速环境下拟合其模型。
这对获得一个能使“海星”高速运动的模型几乎没有帮助。因为“海星”在低水速和高水速下的运动状态和与水流的相互作用不同。
经过几次迭代，“海星”可以得到一个更快的移动方法，然后它可以在高水速下采集数据，从而修改模型，使其拥有指挥权。机器人快速游泳的能力。
这项研究的痛点是，与陆地相比，机器人由于水流、海水盐度和浮力等变量，水下机器人它的设计难度更大，复杂的水上运动动力及其快速“摧毁”马达系统的力量，往往需要科学家在水下数周甚至更长时间的准备。机器人。
因为每一次真机实验收集到的数据都非常珍贵，工程师们迫切需要好的算法来充分挖掘这些数据中最有价值的信息。
无论在平静的水面，起伏，水下机器人与周围流体的被动相互作用优于陆地。机器人在稳定的地形上行走要复杂得多，所以在水下创作非常困难。机器人控制系统。
额外灵活性机器人往往有几千个自由度，很难控制运动。杜涛开发的算法是这个问题的“克星”。
总之，这项工作旨在通过有效模拟和真实实验的混合循环来缩小范围。机器人现实与现实的差距。
“海星”的未来:像星星一样闪耀
和刚性机器人与海星相比，它更安全、更强壮、更灵活。对于需要在狭窄空间内移动的环境，“海星”的弹性使其能够从碰撞中恢复。在相关场景中，更多的学者开始转向灵活性。机器人。
目前，相关论文已经发表在IEEE RA-L journal上，题目为“基于微分仿真的水下柔性”机器人水下机器人的建模与控制。在本周的机器人在RoboSoft 2021国际会议上，杜涛也在线展示了“海星”。
谈及未来的应用，杜涛告诉DeepTech，尽管他们只在海星上展示了他们的迭代算法，但他和他的合作者认为这种算法可以广泛应用于其他领域。机器人关于设计和控制。
“系统识别和解决方案控制是机器人研究中的关键步骤，而解决这两个步骤有很多过程。机器人“是高度耦合的，”杜涛说我们期待未来有更多的类型。机器人例如，设计一种新型水下机器人，具有刚性关节和柔性肌肉。机器人复制海星的成功。"
他补充说，这次选择海星设计是因为它的动作简单优雅，通过挤压和释放腿部向前移动。
目前，杜涛是麻省理工学院(MIT)CSAIL实验室的博士生。在这项研究中，他和来自CSAIL的博士后Josie Hughes作为共同第一作者，领导了海星的软件和硬件开发。
杜涛群岛江苏我本科毕业于清华大学软件学院，硕士毕业于斯坦福大学计算机系。2015年，他来到麻省理工学院CSAIL实验室攻读博士，将于今年毕业。他的研究兴趣包括计算机图形学。机器人机器学习等。
业内知名机器人丹尼尔——CSAIL实验室主任Daniela Rus教授也是这篇论文的作者，是世界权威。机器人专家，罗斯领导了一些灵活性。机器人水下呢机器人著名的研究。
对于这项研究，她说与传统的僵化相比，机器人与人交往时灵活。机器人更安全，而后者在复杂未知的环境下更健壮灵活。这次是“海星”机器人当你和海洋生物生活在一起时，你不会打扰它们，所以你可以在探索海洋的同时保护海洋精灵。
未来，通过使用更快的设计和控制算法，他们将设计更多种类的仿生柔性机器鱼作为观察站，近距离观察海洋生物。