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

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

最近，來自日本大阪大學(xué)的谷川豊章（今年 3 月已經(jīng)博士畢業(yè)離校）、増?zhí)锶菀恢?、石川將人教授?span id="vb5ptjl" class="Apple-converted-space"> 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(jī)制的研究成果，而且與以往通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究不同，他們的研究沒有進(jìn)行任何動(dòng)物試驗(yàn)，而是使用自己開發(fā)的四足機(jī)器人進(jìn)行研究。

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

有關(guān)四足動(dòng)物產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的機(jī)制的研究，尤其是四足動(dòng)物如何能夠立即對(duì)各種環(huán)境干擾做出反應(yīng)并保持平衡且協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，過去已經(jīng)有不少的研究。

例如，過去已有研究通過在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正是四足動(dòng)物的髖關(guān)節(jié)的角度的改變使他們?cè)趶臄[動(dòng)向站立過程成功過渡。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(jī)制，并沒有闡明整個(gè)反射回路。

此外，也有其他多項(xiàng)研究表明，對(duì)于四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)的模擬并不需要使用振蕩器模型或復(fù)雜的 CPG 模型（中樞模式發(fā)生器 Central pattern generators），僅僅通過對(duì)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(xiàn)腿部軌跡和穩(wěn)定步態(tài)的模擬。

不過，在這些研究中設(shè)計(jì)者將步行運(yùn)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(shè)計(jì)了單獨(dú)的反射規(guī)則。所以，這些研究沒有解釋這些許多反射規(guī)則是如何集成到動(dòng)物體內(nèi)的，即產(chǎn)生穩(wěn)定步態(tài)和腿部軌跡的反射回路的整體結(jié)構(gòu)。

在這里首先簡(jiǎn)單解釋四足機(jī)器人平臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)。如下圖所示，每條腿由兩個(gè)連桿組成，通過帶動(dòng)上下旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，腿可以在矢狀面內(nèi)自由活動(dòng)。腿部模塊還可以做內(nèi)收和外展運(yùn)動(dòng)在側(cè)傾方向上旋轉(zhuǎn)；因此，腿具有三個(gè)自由度。每個(gè)關(guān)節(jié)由無刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)。有關(guān)腿部模塊的詳細(xì)機(jī)制，見下圖 B。

四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，則是由一個(gè)用于 BLDC 電機(jī)的低級(jí)控制器和一個(gè)再現(xiàn)肌肉特性和反射的高級(jí)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(jié)（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(jié)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(jī)器人的步行實(shí)驗(yàn)

在準(zhǔn)備好四足機(jī)器人的各項(xiàng)工作之后，研究人員對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行了幾項(xiàng)試驗(yàn)。

首先，研究人員使用四足機(jī)器人進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。在步行實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，研究人員使機(jī)器人的每條腿保持在靜止?fàn)顟B(tài)，并將其放在跑步機(jī)上以激活反射回路。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使沒有中央節(jié)奏發(fā)生器或模式發(fā)生器，四足機(jī)器人也能產(chǎn)生穩(wěn)定的步態(tài)。下圖 8 顯示了機(jī)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(qū)域表示地面接觸。結(jié)果表明，每條腿的觸地時(shí)間是隨著時(shí)間逐漸調(diào)整的。在試驗(yàn)開始 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(xiàn)區(qū)域相同，這表明，四足機(jī)器人開始形成了步伐

上圖則顯示了從 6.95 秒開始，當(dāng)右腿觸地時(shí)相對(duì)于髖關(guān)節(jié)（在 x 軸）和地面（在 z 軸）的腳趾位置。箭頭表示腳趾運(yùn)動(dòng)的方向。可以看出，所設(shè)計(jì)的反射回路在無需預(yù)先設(shè)計(jì)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(jī)器人進(jìn)行了另外兩項(xiàng)試驗(yàn)，一項(xiàng)是在機(jī)器人形成穩(wěn)定的步態(tài)后，刺激肌肉力反饋通路，來模擬腳踝伸肌神經(jīng)受到其他干擾的情況下站立階段的自動(dòng)延長(zhǎng)。從下圖中我們看到，當(dāng)在試驗(yàn)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(yīng)延長(zhǎng)了 1.37 秒，也就是說四足機(jī)器人的站立階段相應(yīng)的延長(zhǎng)。

但是在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)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(xiàn)四足機(jī)器人的步態(tài)不穩(wěn)定。這表明，由交互興奮性反射引起的站立階段的延長(zhǎng)對(duì)穩(wěn)定步態(tài)的產(chǎn)生有很大貢獻(xiàn)。

這項(xiàng)研究不僅對(duì)于理解四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)制有著很大的貢獻(xiàn)，也為四足機(jī)器人的開發(fā)提供了新的思路。

在被問到這一四足機(jī)器人與十分出名的波士頓動(dòng)力的機(jī)器人的區(qū)別與優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，李鐘毓博士表示：波士頓動(dòng)力的機(jī)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(jié)的目標(biāo)位置或者力矩，而并沒有通過電路來模擬肌肉的運(yùn)動(dòng)。通過電路的好處是可以模擬復(fù)現(xiàn)生物的通過肌肉和神經(jīng)來控制步態(tài)的本能 -- 動(dòng)物腦中并沒有一個(gè)算法去計(jì)算某個(gè)關(guān)節(jié)具體的力矩大小，完全是下意識(shí)的條件反射。但是這個(gè)方法的缺點(diǎn)是并沒有展現(xiàn)出更復(fù)雜，更靈活的步態(tài)。

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