基于貓的神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗，日本科學(xué)家研發(fā)機器貓

“相比與傳統的通過(guò)軟件算法開(kāi)發(fā)的步態(tài)控制器，這篇文章提出用電路來(lái)模擬肌肉的反射，從而決定的腿部的運動(dòng)，這更像生物的下意思的通過(guò)肌肉的伸縮來(lái)控制腿部的運動(dòng)?！?談及日本學(xué)者發(fā)表的一項機器貓成果，來(lái)自加州大學(xué)伯克利的博士生李鐘毓如是告訴 DeepTech。

最近，來(lái)自日本大阪大學(xué)的谷川豊章（今年 3 月已經(jīng)博士畢業(yè)離校）、増田容一助教、石川將人教授在 FrontiersinNeurorobotics 雜志上發(fā)表的一篇論文中，向人們展示了有關(guān)四足動(dòng)物的步行機制的研究成果，而且與以往通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗研究不同，他們的研究沒(méi)有進(jìn)行任何動(dòng)物試驗，而是使用自己開(kāi)發(fā)的四足機器人進(jìn)行研究。

在四足機器人上，研究團隊進(jìn)行了不同的步行實(shí)驗，從而在沒(méi)有動(dòng)物試驗的情況下在機器人上重現了基于貓的神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗。此外，進(jìn)行步行實(shí)驗的四足機器人并沒(méi)有中央模式生成器，而是通過(guò)電路來(lái)模擬肌肉的反射，而試驗發(fā)現，沒(méi)有中央模式生成器的的四足機器人能夠自動(dòng)生成穩定的步態(tài)模式和腿部軌跡。

有關(guān)四足動(dòng)物產(chǎn)生運動(dòng)的機制的研究，尤其是四足動(dòng)物如何能夠立即對各種環(huán)境干擾做出反應并保持平衡且協(xié)調的運動(dòng)的機制，過(guò)去已經(jīng)有不少的研究。

例如，過(guò)去已有研究通過(guò)在動(dòng)物實(shí)驗發(fā)現，正是四足動(dòng)物的髖關(guān)節的角度的改變使他們在從擺動(dòng)向站立過(guò)程成功過(guò)渡。但是，這些研究主要關(guān)注的是四足動(dòng)物站立和擺動(dòng)階段的個(gè)體反射機制，并沒(méi)有闡明整個(gè)反射回路。

此外，也有其他多項研究表明，對于四足動(dòng)物的運動(dòng)的模擬并不需要使用振蕩器模型或復雜的 CPG 模型（中樞模式發(fā)生器 Central pattern generators），僅僅通過(guò)對脊柱反射、身體動(dòng)力學(xué)和環(huán)境之間的相互作用的建模就可以實(shí)現腿部軌跡和穩定步態(tài)的模擬。

不過(guò)，在這些研究中設計者將步行運動(dòng)分為多個(gè)階段（例如站立、離地、擺動(dòng)和觸地階段），并為每個(gè)階段設計了單獨的反射規則。所以，這些研究沒(méi)有解釋這些許多反射規則是如何集成到動(dòng)物體內的，即產(chǎn)生穩定步態(tài)和腿部軌跡的反射回路的整體結構。

在這里首先簡(jiǎn)單解釋四足機器人平臺的機械設計。如下圖所示，每條腿由兩個(gè)連桿組成，通過(guò)帶動(dòng)上下旋轉關(guān)節，腿可以在矢狀面內自由活動(dòng)。腿部模塊還可以做內收和外展運動(dòng)在側傾方向上旋轉；因此，腿具有三個(gè)自由度。每個(gè)關(guān)節由無(wú)刷直流（BLDC）電機驅動(dòng)。有關(guān)腿部模塊的詳細機制，見(jiàn)下圖 B。

四足機器人的控制系統，則是由一個(gè)用于 BLDC 電機的低級控制器和一個(gè)再現肌肉特性和反射的高級控制器組成。

為了模擬四足動(dòng)物的步行，研究人員將四足動(dòng)物的腿部肌肉模擬簡(jiǎn)化為以下模型。這一模型由模擬髖關(guān)節（Hipjoint）、伸髖?。╤ip extensor）、髖屈?。╤ipflexor）、膝踝伸?。╧nee-ankleextensor），膝踝屈?。╧nee-ankleflexor）和腳趾（Toe）的元素組成。

此外，研究人員還制定了一個(gè)反射電路模型，該反射電路模型可以模擬髖關(guān)節和膝 - 踝伸肌之間的相互興奮性反射、膝 - 踝伸肌的自興奮性反射以及膝 - 踝屈肌到髖伸肌的抑制性反射。

四足機器人的步行實(shí)驗

在準備好四足機器人的各項工作之后，研究人員對四足機器人進(jìn)行了幾項試驗。

首先，研究人員使用四足機器人進(jìn)行了步行實(shí)驗。在步行實(shí)驗開(kāi)始時(shí)，研究人員使機器人的每條腿保持在靜止狀態(tài)，并將其放在跑步機上以激活反射回路。

試驗發(fā)現，即使沒(méi)有中央節奏發(fā)生器或模式發(fā)生器，四足機器人也能產(chǎn)生穩定的步態(tài)。下圖 8 顯示了機器人的步態(tài)圖。圖中的 RF、LF、RH 和 LH 分別代表右前腿、左前腿、右后腿和左后腿，彩色區域表示地面接觸。結果表明，每條腿的觸地時(shí)間是隨著(zhù)時(shí)間逐漸調整的。在試驗開(kāi)始 4 秒鐘后，右前 - 后退（RF-RH）和左前后腿（LF-LH）的觸地時(shí)間表現區域相同，這表明，四足機器人開(kāi)始形成了步伐

上圖則顯示了從 6.95 秒開(kāi)始，當右腿觸地時(shí)相對于髖關(guān)節（在 x 軸）和地面（在 z 軸）的腳趾位置。箭頭表示腳趾運動(dòng)的方向?？梢钥闯?，所設計的反射回路在無(wú)需預先設計的軌跡的情況下，可以自主產(chǎn)生步行軌跡。

此外，研究人員還使用四足機器人進(jìn)行了另外兩項試驗，一項是在機器人形成穩定的步態(tài)后，刺激肌肉力反饋通路，來(lái)模擬腳踝伸肌神經(jīng)受到其他干擾的情況下站立階段的自動(dòng)延長(cháng)。從下圖中我們看到，當在試驗進(jìn)行到 2-3.5 秒時(shí)研究人員給右后腿（RH）的膝踝伸肌神經(jīng)刺激時(shí)，右后腿觸地的時(shí)間相應延長(cháng)了 1.37 秒，也就是說(shuō)四足機器人的站立階段相應的延長(cháng)。

但是在另一個(gè)實(shí)驗中，當研究人員去除所有腿中的相互興奮通路的影響時(shí)，發(fā)現四足機器人的步態(tài)不穩定。這表明，由交互興奮性反射引起的站立階段的延長(cháng)對穩定步態(tài)的產(chǎn)生有很大貢獻。

這項研究不僅對于理解四足動(dòng)物的運動(dòng)機制有著(zhù)很大的貢獻，也為四足機器人的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

在被問(wèn)到這一四足機器人與十分出名的波士頓動(dòng)力的機器人的區別與優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，李鐘毓博士表示：波士頓動(dòng)力的機器狗使用的是基于的算法的控制器，直接給出每個(gè)關(guān)節的目標位置或者力矩，而并沒(méi)有通過(guò)電路來(lái)模擬肌肉的運動(dòng)。通過(guò)電路的好處是可以模擬復現生物的通過(guò)肌肉和神經(jīng)來(lái)控制步態(tài)的本能 -- 動(dòng)物腦中并沒(méi)有一個(gè)算法去計算某個(gè)關(guān)節具體的力矩大小，完全是下意識的條件反射。但是這個(gè)方法的缺點(diǎn)是并沒(méi)有展現出更復雜，更靈活的步態(tài)。

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