水下机器人难“组团”，哈佛大学机器鱼登上Science子刊封面

2021-01-22 14:59

三种组织形态，灵活组合

目前，伯林格是哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）和怀斯生物启发工程研究所的一名博士，他所在的研究小组给出了一种解决方案：给每个机器人小鱼装配上 LED 灯，并基于此开发了一套水下视觉协调系统。

这项研究中，单只机器小鱼被命名为“Bluebot”，研究人员共组装了 7 只，它们组成的系统则被称为“Blueswarm”。

图｜Bluebot 的关键组件（来源：Berlinger）

Bluebot 的功能设计包括三个主要模块：

2 个摄像头可对周围环境进行 3D 感知；3 个 LED 灯作为主动信标，用于相互识别；4 个独立可控鳍片可提供 3D 空间游动。

机载鱼眼镜头相机可检测到最远 5m 相邻 Bluebot 的 LED 灯光和闪烁信号，并使用自定义算法确定其距离、方向和航向。

仅使用基于视觉的局部交互，研究人员报告了几个自组织的水下机器人集体行为示例，这些行为包括协调同步时间，空间受控分散和动态旋转运动等，最后以多种行为的组合来实现搜索任务操作。

图｜Blueswarm 平台（来源：Science Robotics）

所有这些都可以通过使用非常简单的通信方式来实现，并且在位置感测或控制方面没有任何外部辅助，这成功验证了三维空间中隐式、自组织和分散协调的水下机器人集合的概念。

具体而言，这项工作大概有 3 个关键的环节需要实现：

1、跨时间的自组织。就像萤火虫通过闪烁来吸引伴侣一样，7 个 Bluebots 机器人的 LED 同时闪烁，相互之间会观察相邻同伴的闪烁情况，并在经过三轮不同步闪烁后，调整各自的闪烁周期以实现同步。

这种针对多机器人、分布式情况的“萤火虫同步算法”也有一个专业名词，叫做 Mirollo－Strogatz 模型。

2、跨空间的自组织。有科学研究认为，一条鱼在鱼群中，距离的控制受到附近邻居的虚拟力影响，距离太近的邻居会排斥，距离太远的邻居会吸引，尽管虚拟力的确切形式仍未知。

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