中大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)策略
(相關(guān)資料圖)
奶茶里的珍珠、米粒、牙簽等屬于生活中一種最常見(jiàn)的材料，叫做顆粒材料（Granular Materials）。與這些材料最直接的交互方式就是把它們抓起來(lái)，但該過(guò)程具有挑戰(zhàn)性。 一方面，用力過(guò)猛可能會(huì)把脆弱的珍珠弄碎，另一方面，用力太輕顆粒又會(huì)從指縫中漏出來(lái)。抓起一把顆粒，對(duì)于人來(lái)說(shuō)都是一件需要對(duì)手部精細(xì)調(diào)控才能成功的事情，因此對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)就更加困難?，F(xiàn)有的機(jī)器人軟體抓手主要采用下圖中的幾種策略來(lái)操作顆粒材料，但如果面對(duì)零散的顆粒，這些抓手都會(huì)表現(xiàn)得非常低效。 圖丨現(xiàn)有的能操縱顆粒材料的策略（來(lái)源：Advanced Intelligent Systems） 那么，操作顆粒材料為什么這么難呢？這與顆粒材料獨(dú)特的物理特性切切相關(guān)。單獨(dú)的小顆粒與其他固體物質(zhì)并無(wú)區(qū)別，但當(dāng)小顆粒們聚集起來(lái)形成顆粒聚集物時(shí)，情況就完全不一樣了。顆粒聚集物會(huì)在不同的物理?xiàng)l件下，表現(xiàn)出截然不同的物理特性。 如果每個(gè)小顆粒是離散的，它們之間并沒(méi)有相互接觸時(shí)，顆粒聚集物整體會(huì)表現(xiàn)出類(lèi)似液體的特征，能夠隨著外力或者邊界條件的變化而流動(dòng)；而如果所有的顆粒都相互連接起來(lái)，顆粒聚合物則會(huì)表現(xiàn)出類(lèi)似固體的高剛度的特征。 也就是說(shuō)，這種能夠在類(lèi)似固體和液體兩相之間轉(zhuǎn)化的獨(dú)特性質(zhì)，讓顆粒難以被現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)高效地操作或運(yùn)輸。 圖丨教授（右）與副教授（來(lái)源：該團(tuán)隊(duì)） 為了解決這一問(wèn)題，中山大學(xué)教授、副教授聯(lián)合副總裁兼集團(tuán)首席動(dòng)植物執(zhí)行官合作，基于非洲象利用象鼻尖端攝取顆粒狀食物的行為機(jī)制，提出了一種智能操作策略，能夠高效、快速地轉(zhuǎn)運(yùn)零散的顆粒狀物體。 據(jù)悉，非洲象是一種食量巨大的動(dòng)物，日進(jìn)食量能達(dá)到大約 200 公斤，其中顆粒狀食物（如象草、花生以及顆粒飼料）約占總重量的 10%，估算下來(lái)有 69000 個(gè)顆粒左右。 假設(shè)大象吃顆粒食物時(shí)每次只抓起一個(gè)，且一次進(jìn)食過(guò)程持續(xù) 2 秒，那么僅吃完這些顆粒狀食物就要使用 38 個(gè)小時(shí)，這顯然不合理。 圖丨非洲象轉(zhuǎn)運(yùn)顆粒狀食物的過(guò)程（來(lái)源：Advanced Intelligent Systems） 為了探究非洲象是如何保證每天如此巨大的進(jìn)食量，研究團(tuán)隊(duì)在廣東省清遠(yuǎn)市長(zhǎng)隆國(guó)家級(jí)世界珍稀野生動(dòng)植物種源基地進(jìn)行了一系列觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，最終確定了非洲象們吃飯的本領(lǐng)。首先，大象利用其象鼻尖端的側(cè)邊將零散的顆粒食物掃到一起，隨后尖端緊緊地貼在木板上，從兩邊擠壓聚集的顆粒將其夾住，最終將這些食物送入口中。 在整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，最關(guān)鍵的階段就是夾持階段。大象在夾持顆粒時(shí)，顆粒物在象鼻的作用下，經(jīng)歷了多次的液相和固相之間的轉(zhuǎn)換。這種策略建立了能夠高度適應(yīng)顆粒物物理性質(zhì)的場(chǎng)景，使大象在每次取食時(shí)能夠捕獲更多的顆粒物，有可能提高取食效率。 為了將這種智能策略付諸實(shí)踐，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種氣驅(qū)軟體抓手，能利用力驅(qū)動(dòng)和幾何驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式，將零散顆粒進(jìn)行多次固-液兩相間的狀態(tài)轉(zhuǎn)變后完成抓取。 圖丨氣驅(qū)軟體抓手及其階段性運(yùn)行機(jī)制（來(lái)源：Advanced Intelligent Systems） 為了實(shí)現(xiàn)成功的抓取，軟體抓手需要提供足夠的水平抓取力，這一水平力與額外氣壓相關(guān)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)軟體抓手提供的額外氣壓越大，能達(dá)到的抓取成功率也越高。 但較大的額外氣壓會(huì)引出兩個(gè)問(wèn)題——能量的過(guò)度消耗以及軟體抓手由于氣壓過(guò)大炸裂的危險(xiǎn)。為了選擇合適的氣壓驅(qū)動(dòng)軟體抓手，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，以一次性成功抓取顆粒的個(gè)數(shù)超過(guò) 90% 為基準(zhǔn)，建立了一個(gè)最小驅(qū)動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)庫(kù)。 有了這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)后，將目標(biāo)顆粒的尺寸和數(shù)目作為輸入，即可從數(shù)據(jù)庫(kù)中得到對(duì)應(yīng)抓取這些顆粒所需要的驅(qū)動(dòng)氣壓。這一壓力數(shù)據(jù)庫(kù)使得軟體抓手能夠抓取不同大小和數(shù)量的顆粒。 圖丨最小驅(qū)動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)庫(kù)（來(lái)源：Advanced Intelligent Systems） 為了確認(rèn)這種智能運(yùn)輸策略的實(shí)際表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)抓取零散顆粒的場(chǎng)景。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的單獨(dú)抓取的策略，這一生物啟發(fā)的運(yùn)輸策略在達(dá)到 100% 成功率的同時(shí)耗時(shí)減少一半，體現(xiàn)出該策略的高效性。 圖丨氣驅(qū)軟體抓手轉(zhuǎn)運(yùn)零散顆粒食物（來(lái)源：Advanced Intelligent Systems） 最后，研究人員將圖像識(shí)別技術(shù)融入整套系統(tǒng)，并在食品工業(yè)場(chǎng)景中展示了這一集成系統(tǒng)的高效性。該團(tuán)隊(duì)選用了生活中常見(jiàn)的幾種顆粒狀食物，比如蝦條、手指餅干、華夫卷以及通心粉等。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑和數(shù)量的顆粒狀食品的高效轉(zhuǎn)運(yùn)。這種仿生智能操作策略具備在食品工業(yè)、柔性包裝、化妝品加工流水線等行業(yè)的潛在應(yīng)用能力。 圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Intelligent Systems） 日前，相關(guān)論文以《運(yùn)輸分散的圓柱形顆粒：一種受象鼻啟發(fā)的智能策略》（）為題發(fā)表在 Advanced Intelligent Systems上[1]。 中山大學(xué)博士研究生趙郁文和張捷為論文的共同第一作者，中山大學(xué)教授、副教授以及副總裁兼集團(tuán)首席動(dòng)植物執(zhí)行官為論文的共同通訊作者。 . Zhaoet al., “Transporting Dispersed Cylindrical Granules: An Intelligent Strategy Inspired by an Elephant Trunk,”AdvancedIntelligent Systems,2300182, ://
