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无论是完全自主还是与人类密切合作,机器人都变得无处不在。在太空和深海探索中,在手术室或驾驶汽车中,它们的影响力与日俱增。Science Robotics 期刊为最新的技术进步以及围绕机器人关键技术的社会、道德和政策问题提供了一个高质量学术平台。
它是多学科的,涵盖了机器人技术的传统学科,以及先进材料和仿生设计等新兴趋势。它涵盖了从超大型系统到微纳米机器人;其范围很广,既涉及理论进展,也涉及实际应用。
在此总览2017-2023年Science Robotics 封面论文情况。
1、2023年12期封面论文
仿生鳄鱼和仿生巨蜥,在亚洲尼罗河当地对仿生结果进行了实验结果的验证。
该框架能够通过模拟建筑物实现四旋翼飞行机器人的无碰撞运动规划,以及两个物理机器人手臂共同工作以分类物体的协调轨迹。
该假肢装置依靠植入的电极,在残肢和仿生手之间提供双向神经通信,从而在舒适度、减少幻肢疼痛和物体操作方面改善截肢者的生活质量。
强化学习如何通过发现未建模动态的更鲁棒的控制响应来超越使用最优控制的方法。该策略只需要最少的训练,已部署在自主无人机上,并且通过以更短的时间和更高的峰值速度成功绕封闭轨道完成一圈,其表现超越了专业的人类无人机飞行员。
该方法用于各种机器人任务,例如躲避动态障碍物、导航静态障碍物和飞过未知间隙,以及计算机视觉任务,例如分割未知物体堆。
一组有腿机器人可以通过任务级自主权有效地探索非结构化地形。
通过单片三维打印可以制造不需要组装零部件的全功能软机器人。开发了一种 3D 打印工艺,可以生产集成了气动阀、控制开关和流体电路的气密软机器人,这些机器人在打印过程中在夹具内制造。无电子设备的软夹具依靠集成的接触和重力开关来控制物体的捕获和释放。
开发了一种通用位置识别系统,该系统依赖于多个传感器,并结合多模态混合神经网络和神经形态计算。该系统部署在有腿机器人上,并被证明能够准确识别室内和室外的地方。
开发并实施了一个学习框架,利用神经网络来促进四旋翼机器人导航到与其训练环境不同的周围环境中的特定目标。这个受大脑启发的框架依赖于一种强大且适应性强的基于学习的解决方案,以便在没有指导的情况下完成导航任务。
开发出空中机器人,可以在维持受控飞行的同时承受多次刺穿。机器人上的介电弹性体执行器也被设计为可通过使用激光烧蚀来修复,以隔离缺陷并恢复其性能。
开发了一种可穿戴的脚踝外骨骼套装 ExoBoot,它可以在用户的生理反应发生之前人为地产生快速扭矩。ExoBoot 经过人类参与者的验证,可防止用户的踝关节背屈,并在站立的表面移位时改善他们的站立平衡。
报道了一种可以自主着陆并在不同硬度的树枝上采集 eDNA 的无人机。
2、2022年12期封面论文
开发了一种快速攀爬的有腿机器人,可以攀爬铁磁墙壁和天花板、越过小障碍物并携带有效负载。名为 MARVEL(用于多功能和快速运动的磁力粘附机器人)的四足机器人使用基于电永磁体和磁流变弹性体的专门设计的脚进行攀爬。
为膝上截肢者开发了一种动力假肢,该假肢具有膝关节、踝关节和脚趾关节,可以复制腿部的生物力学。该设备重量轻,能够在行走过程中再生能量,以延长电池寿命。研究人员通过对膝盖以上截肢者的临床前研究验证了他们的设计,这些研究显示他们能够在水平地面和楼梯上行走。
已经实现了一种机械神经网络,该网络使用具有可调刚度的互连梁来学习机械行为。遗传和部分模式搜索算法被应用于机械神经网络。
建造了由机载互补金属氧化物半导体(CMOS)电子设备控制的微型机器人。这些微型机器人由光驱动,并使用机载计算机执行预编程的动作。
开发了一种快速且经济高效的原位制造工艺,将由分子马达组成的人造肌肉集成到各种微型机器人中。
开发了一种方法,使机器人手臂能够使用基于查询驱动的视觉自建模的方法对其形态和运动学进行建模。
开发了一种可打印的电子皮肤,赋予机器人触觉和化学传感能力,以检测物理物体和危险材料。电子皮肤还可以固定在操作员的手臂上,以检测肌电信号并控制机器人的运动。
已经开发了一种用于微型无人机群的轨迹规划器,只需使用机载计算机即可实现。他们的规划器根据无人机机载传感器的有限信息计算轨迹,以实现在野外杂乱环境中的无碰撞飞行。
开发了一种方法来教机器人如何自动打开和通过门。首先,远程操作员教机器人开门的技巧。然后,利用计算机视觉与深度预测学习相结合,机器人能够利用通过远程操作器学到的知识自主协商各种门(内开门、外开门和平开门)。
开发一种机器人系绳系统,该系统可以以优化的幅度和时间施加辅助前向力。研究人员表明,在迈步周期的早期提供帮助可以使健康成年人的代谢率降低近一半。
由明胶和糖 3D 打印的软机器人,能够完全溶解在水中并通过酶降解。这些软机器人还可以使用相同的材料回收并重新打印至少四次,而不会失去机械稳定性。此外,波导的集成使执行器能够通过光强度的变化来感知其附近的物体。
报告玉兔二号月球车在月球背面部署两年(25个农历日)的情况;在此期间,月球车检查了月球表面的风化层、陨石坑和岩石。
3、2021年12期封面论文
开发了一种受鸟类启发的抓取系统,称为“Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper”(SNAG)。研究人员将 SNAG 集成到四轴飞行器中,以演示在不同大小、方向和表面条件的树枝上的栖息。
开发了一种深海漫游器,能够测量深海深处的水温、氧气浓度、海流速度和沉积物群落耗氧量。深海移动机器人名为Benthic Rover II,每隔1年在东北太平洋4000米水下部署,为期5年多。
开发了一种双足机器人,可以无缝结合腿部和空中运动。他们的机器人名为 LEONARDO,由轻型多关节腿和螺旋桨组成。LEONARDO 的腿和螺旋桨的同步控制可以实现需要微妙平衡的动作,例如走扁带和滑板。
开发了一种用于仿生假肢的神经机器接口,它利用触觉来增强身体所有权,并提供抓握动觉来增强代理能力。
为了研究这些动物的波动游泳,Thandiackal 等人。建造了一个类似七鳃鳗的机器人,可以捕获七鳃鳗神经机械系统的关键组件。对他们的机器人 AgnathaX 的研究与模拟相结合表明,水动力反馈有助于运动模式调节以及运动节律的产生和协调。
证明一群原始的、厘米级的、由可变形金属支架束缚的振动机器人可以产生定向运动。简单机器人和脚手架的机械耦合运动使得在特定配置的环境中进行非平凡的空间探索成为可能。
Naclerio等人受到南方沙章鱼和沙鱼蜥蜴等穴居动物的启发。开发了一种软机器人,可以利用尖端延伸、颗粒流化和尖端不对称,以高速和可操纵性在浅层干沙中挖掘。他们的机器人可以以 480 厘米/秒的速度行进,并在浅层干沙中进行三维转向。
在本期特刊中,我们通过考虑有效机械手设计、视觉、感知(例如触觉)、多模态场景理解、空间规划以及学习和推理之间的复杂相互作用,寻求实现更好的机器人抓取。本月的封面是一张由 Bircher 等人开发的非常规两指灵巧手 Model W 的照片。利用手指和手掌的所有表面进行操作。
开发了一种高有效负载薄膜折纸轮,能够承受超过 10 kN 的负载。车轮设计的承载性能在乘用车现场测试中得到了验证。
开发了一种微米尺寸的形状记忆执行器,通过表面电化学反应实现可逆驱动和形状记忆效应。这些可编程形状记忆执行器的曲率半径约为 500 纳米,运行速度小于 100 毫秒,并且可以在低至 1 伏的电压下驱动。
使用流体电路而不是电子电路来实现机器人的可编程运动。具体来说,利用软环形振荡器实现仿生步态模式,该振荡器产生类似于自然界中发现的生物中枢模式发生器神经回路的节律运动。
Berlinger等人受到大自然的启发。利用名为 Bluebots 的受鱼类启发的机器人实现复杂的 3D 集体行为。使用基于隐式视觉的协调,一群名为 Blueswarm 的 Bluebot 集群展示了同步、聚集-分散、动态圆圈形成和搜索-捕获行为。
4、2020年12期封面论文
开发了一种基于机器学习的框架,称为多专家学习架构,用于教授四足机器人多技能运动。他们的控制器由八个代表专业技能的深度神经网络组成,然后使用门控神经网络将这些技能组合起来,以实现复杂的运动,例如连贯的小跑、转向和跌倒恢复。
开发了一种机器人拾取算法,该算法考虑加加速度限制以产生更平滑的轨迹,并使用深度学习来加速这些轨迹的计算。该算法已在 UR5 机器人上进行了验证,将现有运动规划器的计算时间从 25 秒减少到 80 毫秒。
开发了一种运动控制器,该控制器使用深度强化学习来教导四足机器人如何在不可见和非结构化的环境中导航,而无需外部传感器。四足动物 ANYmal 被部署在各种户外环境中,以证明它可以仅依靠本体感觉稳健地穿越一系列具有挑战性的地形。
报告了一种名为Hannes 的仿生上肢假肢系统,它展示了人手的关键特性:精确的拟人化、仿生性能和类人的抓取行为。涉及截肢者的试点临床试验表明,Hannes 的性能优于现有设备。
开发了一种名为RoBeetle 的机器人,其大小和质量与小昆虫相当,利用由甲醇受控催化燃烧提供动力的人造微肌肉实现爬行运动。RoBeetle 可以承载高达其体重 2.6 倍的有效负载,在粗糙的表面上爬行,并爬上 15° 的斜坡。
用硅橡胶封装的可拉伸且离子导电的有机凝胶线制成人造网。通过利用静电效应,这种所谓的离子蜘蛛网可以提供传感、粘附和自清洁能力。
使用名为“电缆实验室”的电缆机器人在干扰有限的自然条件下跟踪昆虫的自由飞行。电缆机器人是一个安装有摄像头的开放式笼子。连接到电缆的笼子会随着飞行昆虫自动移动,以跟踪昆虫的飞行。
建立了 RP15 的实验室模型,称为 Mini Rover,以测试 RP15 的运动原理并演示在松散颗粒介质上的爬山。
瓢虫的翅膀在飞行过程中可以承受巨大的空气动力,并且当折叠时,这些翅膀可以在 100 毫秒内展开。这些机翼的自锁和弹性储能能力是通过机翼框架中的带弹簧形静脉实现的。贝克等人。复制这些静脉的弯曲几何形状,以创建可以在 116 毫秒内自锁和展开的折纸结构。研究人员通过演示具有增强的动态和静态行为的跳跃机器人和跳跃滑翔机器人来验证他们的设计。
使用事件相机,这是一种仿生神经形态传感器,可以低延迟地区分静态和动态对象。
标准 AGV 系统由三个要素组成:货物、机器人载体和导航地板。受 AGV 的启发,Yu 等人。开发了一种微流体系统,其中含有生物相容性磁性纳米粒子(货物)的水滴使用微型移动磁铁或“铁机器人”(机器人载体)沿着二维电磁线圈表面(导航地板)移动。
受到鸟类如何通过翅膀变形展示敏捷和高效飞行的启发,Chang 等人。研究了普通鸽子的骨骼和羽毛运动学,开发了一种名为 PigeonBot的软生物混合空中机器人,它具有欠驱动的羽毛,可以通过手腕和手指关节改变翅膀来进行转向。
5、2019年12期封面论文
使用了一个可以学习使用各种安全机制打开瓶子的机器人系统。然后,机器人通过各种解释向人们展示了这种能力,作者指出哪些解释最能促进信任。
其灵感源自鹈鹕鳗(Eurypharynx pelecanoides)(通常称为鹈鹕鳗),它能够迅速张开嘴来捕获猎物。他们设计了由硅橡胶制成的软机器人,可以同时展开和拉伸。一种折纸机器人可以模仿鹈鹕的嘴巴运动。
使用称为 SPARC(监督渐进式自主机器人能力)的机器学习技术,使社交机器人能够向(人类)老师学习如何指导儿童玩教育游戏。最初,除非由老师远程控制,否则机器人不会行动;当教师选择行动时,SPARC 了解到哪些行为适合特定情况。
创建了一个名为Optical Lace 的平台,用于构造柔软、可拉伸光导的任意 3D 网格,以实现空间不连续的变形传感。由光学蕾丝组成的装置能够可靠地、反复地感测外部和内部变形。光学花边可以扩展以覆盖更多区域和/或进行修改以提高分辨率或检测其他刺激,例如温度。
设计了与PEDOT:PSS 离子交联的 Ti3C2TX 电极,用于高性能空气工作离子软执行器。由此产生的执行器可以承受高弯曲应变,对电信号做出快速响应,并且在使用数小时后仍保持耐用。它们被用作运动结构中的人造肌肉,例如这只蝴蝶(质量为 310 克)。
开发了异步编码电子皮肤(ACES)系统,该系统模仿生物动作电位和机械感受器,将热触觉信息从电子皮肤中的传感器传输到单个导体,无需复杂的接线或信号延迟。ACES 能够以高时间分辨率检测热量和压力,甚至可以跨数十个传感器进行检测;不易受到背景电磁干扰;并在电子皮肤机械损坏后继续运行。
提出了一组可互连的模块,对组装好的机器人进行编程和安全性验证,其控制性能与非模块化机器人相似,并且机器人闲置时间减少了 36%。这种自编程、自验证机器可以使模块化机器人对工厂来说具有成本效益且安全。
使用强化学习来训练代理自动识别图像的部分,从而使其能够完成其余部分。然后,作者添加了一个“伙伴”策略,其中包含来自不同位置的部分视图的附加数据。代理学习了可应用于新视觉任务的探索行为。
制造了前体 DNA,当将其添加到包含预先图案化边界和障碍物的微流体装置中时,可以组装成聚合物,然后组装成微米级水凝胶,最后组装成中尺度图案和形状。DASH(基于 DNA 的分层组装和合成)材料可以自主且同步地生成和退化,从而允许进一步编程以实现类似于粘菌运动的运动,甚至可以并排编队进行“竞赛”。
设计了模块化的驱动起落架,连接到商用现成的四旋翼无人机上。无人机能够在不发生碰撞的情况下接近物体,并驱动着陆模块在不损坏物体的情况下栖息和/或抓住物体。一旦稳定,它还能保持其位置,从而允许以低能耗进行持续监视。
使用轻型自主水下航行器(LAUV) 来测量预定义体积的边缘,所得数据使机器人能够识别地下叶绿素 a 浓度高的内部区域,以进行额外的详细采样。LAUV 结果得到了遥感数据和船载样本数据的证实。实时数据分析和准确、自适应的机器人采样相结合可以提高我们对海洋食物网及其动态、异构环境的理解。
在包括图像、抓取和奖励的合成数据集上训练 Dex-Net 4.0。由此产生的策略使得带有两个夹具的机器人能够持续可靠地清理包含多达 25 个新物体的垃圾箱。从合成数据中学习和应用于现实世界的结合可能会改善电子商务、制造、检查和家庭服务机器人。
6、2018年12期封面论文
使用 3D 打印技术创建模仿人手的机器人设备,其坚硬的骨骼框架被控制关节运动的灵活“韧带”包围。他们改变了韧带的硬度和敲击钢琴琴键的力;由此产生的数据导致模型可以预测一组特定条件下的运动范围。该方法和设计的有效性通过一个系统得到了证明,该系统能够以接近人类的方式播放代表多种风格的三首不同音乐片段的节选。
开发了一种多层电子皮肤,可以通过受人体皮肤和向日葵小花螺旋启发的微观结构来区分力方向的细微差异。他们用电子皮肤覆盖机械臂的手,并对控制器进行编程,以在检测到一定程度的力时停止机械臂的自动向下运动。由此产生的感官反馈使系统能够足够快地响应,以避免损坏轻质物体。
动物标签的最新进展改善了对大型物种的远程跟踪;然而,这项技术并不适合高达 70% 的鸟类和哺乳动物物种。自动追踪小动物的努力收效甚微。克里夫等人。通过使用配备微型传感器和估计算法的自主轻型空中机器人,开发了一种跟踪无线电标记的野生雨燕鹦鹉的方法。该机器人系统能够像经验丰富的人类追踪器一样准确、快速地估计被标记的鸟类在冬季范围内的位置。
Kedzierski和 Holihan 开发了线性和旋转微液压执行器,这些执行器具有高功率密度和效率,并且在缩小尺寸时性能得到改善。这种轻质、灵活且精确的执行器可以在软机器人和生物医学中找到许多应用。
从工作场所到家庭空间,机器人技术的应用领域正在不断增加。社交机器人是一个相对较新的领域,旨在捕捉社交互动和环境的丰富、动态本质。它跨越许多学科,包括人工智能、机器学习、心理学、医学、社会和认知科学、神经科学以及人机交互。其中所涉及的困难常常被低估,而且我们对人类社会行为的理解并不像我们想象的那么先进。
开发了一个模型来优化一群快速移动的空中机器人在有限环境中的行为,并用 30 架户外无人机验证了结果。加拉托尼和比拉塔里创建了一个地面机器人系统,该系统没有按照正确的任务顺序进行预编程。通过集体行动和交流,机器人群能够“学习”并按正确的顺序执行任务。
材料科学和神经科学的最新进展改进了假肢,但与生物肢体相比,人工能力仍然有限。在广泛地将神经刺激映射到触觉感知之后,奥斯本等人。开发了一种电子“皮肤”,可以将神经形态触觉信息从假肢翻译给截肢者。哈恩等人。实施了基于回归的控制方法,该方法允许同时和比例地控制两个自由度,并且在多天和肢体位置上具有鲁棒性。
工程师们使用天然肌肉组织来移动机器人设备,但这些组织受到自发收缩、运动范围小和寿命短的限制。森本等人。通过堆叠含有成肌细胞的薄水凝胶片来改造肌肉组织,然后将一对拮抗的组织锚定到灵活的机器人骨架上。在电刺激工程组织的驱动下,该装置实现了 90° 的关节旋转,其运动范围与人类手指的运动范围相当。肌肉组织保持活动能力约一周。
增强现实和虚拟现实环境有可能影响从工厂到手术室的一系列工作环境。伯杰等人。研究了远程操作和虚拟现实体验中的参与者,发现增强的触觉反馈与其他感官线索不一致可能会降低主观真实感,产生触觉的恐怖谷。因此,人机交互的设计者不能简单地假设更多(或更现实)的触觉效果更好。随着体验超越纯粹的视觉显示并整合来自多种感官(包括触觉和听觉)的更丰富的反馈,不匹配变得可能,并可能破坏触觉渲染的“改进”。
无人机 (UAV) 可以在对人类来说太狭窄或太危险的区域移动,但许多工具太重或体积太大,无法由无人机携带。金等人。开发了一种受折纸启发的机械臂,可以在需要时伸出并锁定到位。可以在臂的末端添加夹具或其他装置,并且臂可以折叠平以便运输或存储。
Rafsanjani等人受到蛇皮和剪纸艺术的启发。设计了可以转化为三维纹理表面的扁平塑料片。当剪纸片缠绕在管状软致动器上时,带扣引起的定向摩擦使机器人系统能够有效地爬行。
Science Robotics 迎来了第二个年头,带来了新的进步和挑战。
7、2017年12期封面论文
Asano 等人开发的 Kengoro 等人形机器人代表了机器人技术的最终目标之一:综合多个学科的进步。这些机器人本质上是跨学科的,涉及先进的运动和操纵、生物力学、人工智能、机器视觉、感知、学习和认知发展,以及行为研究。
机器人技术日益关注的焦点是将工程材料与生物细胞和组织耦合,例如此处所示的荧光染色的心肌。生物混合设备可以利用这两种材料的特性来增强机器人的能力,或者合成设备可以帮助生物组织和器官的功能和修复。
为了安全地焊接车身,机器人手臂需要有关定位和焊接的指令以及对其局部环境的说明。今年是机器人操作系统 (ROS) 诞生 10 周年,ROS 是一套开源工具、库和约定,用于简化各种机器人平台上复杂而稳健的行为的编码。通过鼓励协作,ROS 现在在从小型桌面机器人到工业环境等领域拥有数千名用户。
鳉鱼使用经过高度改造的背鳍形成粘合盘,附着在各种海洋动物身上。王等人。开发了一种多材料仿生盘,可以在各种表面上实现牢固的附着和水下搭便车。这种仿生粘合技术可以降低运输和移动成本,增加自主水下航行器的任务持续时间,并实现水下抓取应用。
使用利用狄尔斯-阿尔德斯反应的自修复聚合物构建他们的机器人。他们展示了柔软的抓手、柔软的手和可以通过温和热处理治愈的人造肌肉。该聚合物还具有可回收的优点。
使用气动原理将机器人的尖端延伸很长的距离。他们仅在机器人的一侧给气室充气以使其转动。连接到反馈回路的机载摄像头使机器人能够跟踪远处的光源。
人类对太空和海洋环境的探索需要潜艇和航天器上广泛且昂贵的冗余生命支持系统。相比之下,机器人相对于人类具有巨大的作业范围优势,并且已经能够在极其恶劣的环境中经济有效地高精度作业。它们还可以在传感和材料处理方面提供新的可能性,这远远超出了人类的能力范围。将人类的洞察力和灵活的问题解决能力与机器人传感器和效应器相结合,将创造出下一代探索者。
人体生物力学和生理学研究正在改进假肢和其他辅助技术。
在本期《科学机器人》中,《科学机器人》讨论了增材制造、数字设计和制造、传感器和结构连接以及新型建筑材料的发展。
本月的《科学机器人》杂志强调了医疗机器人在从药物输送到幼儿教育等一系列任务中的潜在优势。
蝙蝠机器人(如图所示)能够模仿蝙蝠的多种飞行动作,例如倾斜转弯和俯冲飞行。蝙蝠翅膀中具有高度可塑性的骨骼和皮肤使这种敏捷的飞行成为可能。拉梅扎尼等人。通过一系列机械约束确定并实现了最重要的蝙蝠翼关节。然后,他们为扑翼平台设计了反馈控制,并用柔性硅膜覆盖了该结构。这种仿生机器人还可能揭示蝙蝠腿调节飞行俯仰的作用。
一名志愿者穿着柔软的外装在跑步机上行走,该外装旨在帮助佩戴者并测量步态力学。跟踪在有或没有设备帮助的情况下行走时消耗的能量。力被局部施加到脚踝上,以接近正常的脚踝运动,并通过套装的面料间接施加到臀部运动。在整个外装辅助范围内,净代谢率显示逐渐下降。
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