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苏学成:机器人鸟是怎么飞起来的?

发布时间:2018-10-16  点击:

讲讲机器人鸟。喷浆机器人研发有自己的创新,但参考了国外的,属于科技进步。真正属于发明的,就是机器人鸟;真正原创性的,也是机器人鸟。

机器人鸟是在机器人鼠研究成功后,我们发现它有一些重要缺点而提出新想法导致的结果,其控制原理完全不一样。

国外机器人鼠的原理有两个基本点,其一就像驯兽一样,驯虎的、驯海豹的,完成了指定动作,我给你一个肉团、一条鱼,完不成不给,称之为“奖赏”原理。当然,这里奖赏是“虚拟”的:不是真给了食物,而是用微电流(数十微安级)刺激能令其兴奋或高兴的脑区,令其感到兴奋或高兴而跑动。

其二是微电刺激与胡须感觉相应脑区,让其误以为碰到障碍物了而拐弯:它的胡须非常敏感,当刺激与左边胡须对应的脑区时,它就感到左边碰到障碍物,会往右拐;反之,它就往左拐。国外这个原理有个问题,动物不一定听你招呼,比如它吃饱了或者它不高兴了,它就有了“虚拟”感觉也会无动于衷;特别是如果动物若没有胡须呢。所以这个原理不可靠、有局限性,并且还需要长期的训练,直到形成条件反射。此外老鼠很胆小,我们实验的时候发现,大家都不能说话,一说话它就吓得不敢动了;再者,它运动太慢,实用性差。

为克服机器人鼠的缺点,课题组想到了鸟。用什么鸟呢?最后选定了鸽子,它飞得快,更重要的是它认家,飞出去还会回来,可以反复使用,所以自古就有信鸽。一开始我们按照控制老鼠的办法,考虑到鸽子没胡须,根据神经学,按照机器人鼠的原理,在鸽脑中找了很多与老鼠胡须功能近似的脑区,经过无数次的尝试和反复实验,都不行。总之,用上述控制机器人鼠的方法无法控制鸽子。

事情往往有两面性。已有的控制原理不行了,它就逼着我们另找出路。费了很大劲,反复实验了几个月,也未找到符合奖赏原理的脑区,几乎就要放弃了,后来突然想到训练战马和耕牛的原理:恐吓加鞭打——动物学上叫“主动逃避”原理。鸟受到惊吓会“主动逃避”——飞走,当被打时就会因疼痛而躲避。但难点是,如何使鸽子按我们期望的路径飞行,即不仅要鸟飞,而且还要按我们期望的方向飞。实验发现,当微电刺激恐惧相关的脑区时,鸟肯定会飞走,但该脑区却不能控制飞行方向,就像人看到蛇会逃避,但向哪里逃,却因人、因地而异。为控制方向,想到了用“鞭打”使其感到疼痛,于是想到主管痛觉的脑区:刺激左脑的痛觉区,它就会因右侧躯体“痛”而向左逃避;反之,则向右逃避。同样,这种恐惧和痛都是“虚拟”的,即它既未看到恐怖的景象(例如并未看到蛇),躯体也未受打击,仅是由于微电刺激脑区造成了“虚拟”的恐惧和痛觉感受。据此,若将微电刺激恰当地用于刺激主管恐惧和痛觉的二个脑区,就可实现控制鸟向前飞、并能根据需要改变飞行方向。根据这种原理,经反复摸索与实验,最终按照“主动逃避原理”实现了对鸽子运动行为的控制。

该成果在国内外产生了广泛影响。国内的、国外(美欧日俄)的各种媒体都有普遍报道。学校、省里都很认可、支持,国家基金委和863专家组也都非常重视。

我们提出的“主动逃避”原理和控制鸟类飞行路径的方法有三个突出优点:一是与动物的生理特点无关,既适用于鸟类也适用于哺乳类及其他种类的动物,所以具有普适性。例如它不论动物有无胡须/翅膀它都适用,与国外已有原理相比,这是一大突破;二是它具有强制性,因而可靠性高;三是基本无须训练。

这一成果,获得了山东省科技发明一等奖。

但对于该项目,我最大的遗憾是,直至我退休之时也未能实现实用化。要达到实用化,根据用户要求能控制鸽子飞行3~5公里,而我们只能做到几百米,即视距以内。这主要是因为,看得见的时候可以控制;看不见的情况下,如何控制鸽子飞行的办法还未很好解决。

我们研发的目标是要研发出实用化的机器人鸽。但是在我退休时只是让机器人鸽飞起来了,一般能可控飞行几百米;没能达到用户要求的3~5公里,这是我最大的遗憾。不过,我的年轻的同事们正在做着艰苦的努力,为飞到3~5公里或更远目标奋斗着。

我预祝他们成功!

(注:苏学成,著名机器人专家,国家科技进步二等奖获得者,现已退休。)