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软数字逻辑模拟电子计算机的思维过程和人手的感觉

发布时间:2019-06-12 13:26 来源:未知 编辑:admin

  一个软的机器人,连接到一个气球,浸没在一个透明的水柱中,潜水和表面,然后再次潜水和浮出水面,就像一条追逐苍蝇的鱼。软机器人之前已经完成了这种技巧。但与大多数软机器人不同,这款机器人的制造和操作都没有硬件或电子部件。在里面,一台柔软的橡胶计算机告诉气球何时上升或下降。这款机器人首次完全依赖于软数字逻辑。

  在过去的十年中,软机器人已经飙升到金属占主导地位的机器人领域。由橡胶硅树脂材料制成的夹板已经用于装配线:缓冲爪处理精致的水果和蔬菜,如西红柿,芹菜和香肠链,或从板条箱中提取瓶子和毛衣。在实验室中,夹具可以拾取光滑的鱼,活老鼠甚至昆虫,从而消除了更多人类互动的需要。

  软机器人已经需要比硬机器人更简单的控制系统。夹具是如此柔顺,它们不能施加足够的压力来损坏物体而不需要校准压力,简单的开关就足够了。但到目前为止,大多数软机器人仍然依赖于某些硬件:金属阀打开和关闭操作橡胶夹持器和臂的空气通道,计算机告诉这些阀何时移动。

  现在,研究人员用橡胶和空气建造了一台柔软的电脑。“我们模拟电子计算机的思维过程,只用软质材料和气动信号,用压缩空气代替电子,”丹尼尔J.普雷斯顿,发表在一论文的第一作者称的美国国家科学院论文集和与George Whitesides,Woodford L.和Ann A. Flowers大学教授合作的博士后研究员。

  为了做出决定,计算机使用数字逻辑门,接收消息(输入)的电子电路,并根据其编程确定反应(输出)。我们的电路并没有那么不同:当医生敲击膝盖下方的肌腱(输入)时,神经系统被编程为猛拉我们的腿(输出)。

  普雷斯顿的软计算机使用硅胶管和加压空气模拟该系统。为了实现复杂操作所需的最小类型的逻辑门 - 在这种情况下,NOT,AND和OR - 他编程软阀以对不同的空气压力作出反应。例如,对于NOT逻辑门,如果输入为高压,则输出为低压。普雷斯顿说,通过这三个逻辑门,“你可以复制任何电子计算机上的任何行为。”

  例如,水箱中的浮动鱼状机器人使用环境压力传感器(改进的非门)来确定要采取的行动。当电路感应到水箱顶部的低压时,机器人潜水,当感应到深处的高压时,机器人就会潜水。如果有人按下外部软按钮,机器人也可以执行命令。

  仅使用软部件制造的机器人有几个好处。在工业环境中,如汽车工厂,大型金属机器以盲目的速度和动力运行。如果人类挡路,硬机器人可能会造成无法挽回的伤害。但是,如果一个柔软的机器人碰到一个人,普雷斯顿说,“你不必担心受伤或灾难性的失败。”他们只能施加这么大的力量。

  但是,软机器人不仅仅是更安全:它们通常更便宜,更简单,重量更轻,耐损坏和腐蚀性材料,并且耐用。添加智能和软机器人不仅可以用于处理西红柿。例如,机器人可以感知用户的温度并进行软挤压以指示发烧,当水压上升过高时向潜水员发出警报,或者在自然灾害后推动碎片以帮助找到受害者并提供援助。

  软机器人也可以冒险进行电子设备的研究:高辐射场,如核故障后或外太空中产生的辐射场,以及磁共振成像(MRI)机器内部。在飓风或洪水过后,一个强壮的软机器人可以管理危险的地形和有害的空气。普雷斯顿说:“如果它被汽车碾过,它就会继续运转,这是我们对硬机器人没有的东西。”

  普雷斯顿及其同事不是第一个没有电子设备来控制机器人的人。其他研究团队设计了微流体电路,可以使用液体和空气来创建非电子逻辑门。一个微流体振荡器帮助一个柔软的章鱼形机器人连枷所有八个臂。

  然而,微流体逻辑电路通常依赖于硬质材料,如玻璃或硬塑料,并且它们使用这样的薄通道,一次只有少量空气可以通过,从而减慢机器人的运动。相比之下,普雷斯顿的通道更大 - 直径接近1毫米 - 这使得空气流速更快。他的空气夹持器可以在几秒钟内抓住物体。

  微流体电路的能量效率也较低。即使在休息时,这些设备也使用气动电阻器,它将空气从大气流到真空或压力源以保持静止。Preston的电路在休眠时不需要能量输入。在机器人远离可靠能源的紧急情况或灾难情况下,这种节能可能至关重要。

  橡胶机器人也提供了诱人的可能性:隐形。根据普雷斯顿选择的材料,他可以设计一个与特定物质进行索引匹配的机器人。因此,如果他选择一种在水中伪装的材料,机器人在浸没时会显得透明。在未来,他和他的同事们希望创造肉眼看不见甚至是声纳探测的自主机器人。“这只是选择正确材料的问题,”他说。

  对普雷斯顿来说,正确的材料是弹性体(或橡胶)。虽然其他领域通过机器学习和人工智能追求更高的能力,但Whitesides团队却远离了复杂性。“那里有很多能力,”普雷斯顿说,“但是退一步思考是否有一种更简单的方法可以做出相同的结果,特别是如果它不仅更简单,那就更好了。还便宜。“

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