SoftZoo是一個(gè)軟機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以測(cè)試機(jī)器人在不同環(huán)境中的形狀和尺寸。

自2008年采用“軟機(jī)器人”一詞以來(lái)，該領(lǐng)域的工程師一直在構(gòu)建各種用于探索，運(yùn)動(dòng)，康復(fù)甚至太空的柔性機(jī)器。靈感來(lái)源之一：動(dòng)物在野外的移動(dòng)方式。

麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究人員團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，開(kāi)發(fā)了SoftZoo，這是一個(gè)受生物啟發(fā)的平臺(tái)，使工程師能夠研究軟機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)。該框架優(yōu)化了由設(shè)計(jì)組成的算法，該算法決定了機(jī)器人的外觀;和控制，或支持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，改善用戶自動(dòng)生成潛在機(jī)器輪廓的方式。

該平臺(tái)在野外散步，以熊貓熊、魚(yú)類(lèi)、鯊魚(yú)和毛毛蟲(chóng)等動(dòng)物的 3D 模型為設(shè)計(jì)，可以模擬軟機(jī)器人任務(wù)，如運(yùn)動(dòng)、敏捷轉(zhuǎn)彎和不同環(huán)境中的路徑跟蹤。無(wú)論是雪、沙漠、粘土還是水，該平臺(tái)都展示了各種設(shè)計(jì)在不同地形下的性能權(quán)衡。

“我們的框架可以幫助用戶找到機(jī)器人形狀的配置，使他們能夠設(shè)計(jì)可以做許多不同事情的軟機(jī)器人算法，”麻省理工學(xué)院博士生Tsun-Hsuan Wang說(shuō)，他是計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的附屬機(jī)構(gòu)，他是該項(xiàng)目的首席研究員?！皬谋举|(zhì)上講，它幫助我們了解機(jī)器人與環(huán)境交互的策略。

SoftZoo比已經(jīng)模擬設(shè)計(jì)和控制的類(lèi)似平臺(tái)更全面，因?yàn)樗M了對(duì)各種生物群落的物理特征做出反應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。該框架的多功能性來(lái)自可微分的多物理場(chǎng)引擎，該引擎允許同時(shí)模擬物理系統(tǒng)的多個(gè)方面，例如小海豹在冰上轉(zhuǎn)動(dòng)或毛毛蟲(chóng)在濕地環(huán)境中緩慢行駛。該引擎的可微性通過(guò)減少解決計(jì)算控制和設(shè)計(jì)問(wèn)題所需的通常昂貴的仿真次數(shù)來(lái)優(yōu)化協(xié)同設(shè)計(jì)。因此，用戶可以使用更復(fù)雜的指定算法設(shè)計(jì)和移動(dòng)軟機(jī)器人。

該系統(tǒng)模擬與不同地形相互作用的能力說(shuō)明了形態(tài)學(xué)的重要性，形態(tài)學(xué)是研究不同生物體的形狀，大小和形式的生物學(xué)分支。根據(jù)環(huán)境的不同，一些生物結(jié)構(gòu)比其他生物結(jié)構(gòu)更優(yōu)化，就像比較完成類(lèi)似任務(wù)的機(jī)器的藍(lán)圖一樣。

這些生物輪廓可以激發(fā)更專(zhuān)業(yè)的、針對(duì)特定地形的人工生命?！八溉岷推鸱膸缀涡螤钍蛊淠軌蛴行У卮┰酱笃颍ぐl(fā)研究人員開(kāi)發(fā)新型軟機(jī)器人，并為完全在計(jì)算機(jī)中培養(yǎng)的人造生物開(kāi)辟了無(wú)限的可能性，”王說(shuō)?！按送?，蜻蜓可以執(zhí)行其他飛行生物無(wú)法完成的非常敏捷的動(dòng)作，因?yàn)樗鼈兊某岚蛏嫌刑厥獾慕Y(jié)構(gòu)，在飛行時(shí)會(huì)改變它們的質(zhì)心。我們的平臺(tái)優(yōu)化了運(yùn)動(dòng)，就像蜻蜓自然更擅長(zhǎng)在周?chē)h(huán)境中工作一樣。

以前，機(jī)器人很難在雜亂的環(huán)境中導(dǎo)航，因?yàn)樗鼈兊纳眢w不符合周?chē)h(huán)境。不過(guò)，有了SoftZoo，設(shè)計(jì)師可以同時(shí)開(kāi)發(fā)機(jī)器人的大腦和身體，共同優(yōu)化陸地和水上機(jī)器，以提高意識(shí)和專(zhuān)業(yè)化。隨著行為和形態(tài)智能的增加，機(jī)器人在完成救援任務(wù)和進(jìn)行探索方面將更加有用。例如，如果一個(gè)人在洪水期間失蹤，機(jī)器人可能會(huì)更有效地穿越水域，因?yàn)樗褂肧otftZoo平臺(tái)中演示的方法進(jìn)行了優(yōu)化。

“SoftZoo為軟機(jī)器人設(shè)計(jì)師提供開(kāi)源模擬，幫助他們更輕松，更靈活地構(gòu)建真實(shí)世界的機(jī)器人，同時(shí)加速機(jī)器在不同環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力，”該研究的共同作者Chuang Gan補(bǔ)充道，他是麻省理工學(xué)院-IBM Watson AI實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家，他很快將成為馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的助理教授。

“這種共同設(shè)計(jì)軟機(jī)器人身體及其大腦（即它們的控制器）的計(jì)算方法為快速創(chuàng)建專(zhuān)為特定任務(wù)設(shè)計(jì)的定制機(jī)器打開(kāi)了大門(mén)，”CSAIL主任Daniela Rus補(bǔ)充道，麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）的Andrew和Erna Viterbi教授，他是這項(xiàng)工作的另一位作者。

在構(gòu)建任何類(lèi)型的機(jī)器人之前，該框架可以替代現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不自然的場(chǎng)景。例如，評(píng)估類(lèi)似熊的機(jī)器人在沙漠中的行為對(duì)于在波士頓城市平原工作的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)可能具有挑戰(zhàn)性。相反，軟機(jī)器人工程師可以在SoftZoo中使用3D模型來(lái)模擬不同的設(shè)計(jì)，并評(píng)估控制機(jī)器人的算法在導(dǎo)航中的效果。反過(guò)來(lái)，這將節(jié)省研究人員的時(shí)間和資源。

盡管如此，當(dāng)前制造技術(shù)的局限性阻礙了這些軟機(jī)器人設(shè)計(jì)栩栩如生。“從模擬到物理機(jī)器人的轉(zhuǎn)移仍未解決，需要進(jìn)一步研究，”王說(shuō)。“SoftZoo中的肌肉模型，空間變化的剛度和傳感器化無(wú)法用當(dāng)前的制造技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)，因此我們正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

未來(lái)，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)者正在關(guān)注人體力學(xué)中的應(yīng)用，例如操縱，因?yàn)樗軌驕y(cè)試機(jī)器人控制。為了展示這種潛力，Wang的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)3D手臂，向前扔雪球。通過(guò)包括對(duì)更像人類(lèi)的任務(wù)的模擬，軟機(jī)器人設(shè)計(jì)師可以使用該平臺(tái)來(lái)評(píng)估抓取、移動(dòng)和堆疊物體的軟機(jī)械臂。

Wang，Gan和Rus與EECS博士生和CSAIL附屬公司Pingchuan Ma，哈佛大學(xué)博士后Andrew Spielberg博士'21，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)博士生周賢，麻省大學(xué)阿默斯特分校副教授張浩，麻省理工學(xué)院腦和認(rèn)知科學(xué)教授以及CSAIL附屬公司Joshua B. Tenenbaum一起撰寫(xiě)了一篇關(guān)于這項(xiàng)工作的論文。

Wang在MIT-IBM Watson AI Lab實(shí)習(xí)期間完成了這項(xiàng)工作，NSF EFRI計(jì)劃，DARPA MCS計(jì)劃，MIT-IBM Watson AI Lab以及MERL，思科和亞馬遜的捐贈(zèng)資金都為該項(xiàng)目提供了支持。該團(tuán)隊(duì)的研究將在本月的2023年學(xué)習(xí)表征國(guó)際會(huì)議上發(fā)表。