机器人|可以增强机器人性能的材料传感器|算法

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随着软机器人和多材料制造技术的出现，这种范式开始发生变化，这导致了完全独立的机器人系统和组件模糊了机器人和材料之间的区别。虽然软机器人技术为运动和操纵提供了全新的方式，但该领域已经带来了新的制造方法，使我们能够更接近生物系统的综合性质提供了全新的方式。我们相信，正是这种集成将使我们能够创建在某种意义上具有自主性的机器人组件，从而促进创建更复杂和适应性更强的自主机器人系统。我们认为，这些组件必须实现设计权衡，因此更适合一种机器人设计而不是很多种，一旦它们以材料的形式可用，它们就会发挥其真正的潜力。

延伸到这些设备的“材料”定义是这一新兴领域的关键要素。首届“机器人材料研讨会”的大厅里弥漫着这种困境。该研讨会达成的共识是，材料具有以下特性：，与大小无关的功能，即减半时性能不变。自相似性和整体可重构性，即由可以以无定形或离散的网格状方式排列的同质元素组成。和鲁棒性，即材料在任何组成元素发生故障时都不会失去其能力。这些特性与当代材料科学的观点非常吻合。

【机器人|可以增强机器人性能的材料】在这种观点中， “机器人材料”是具有结构、传感、驱动和计算“阶段”的复合材料。这些相可以分散，例如在用粒状颗粒增强的复合材料中，或者以各向异性的方式放置，例如在纤维增强的复合材料中。在为材料提供改进功能的同时，额外的相通常会在结构完整性和基体与分散相之间的界面结合处的制造方面带来挑战。在这里，机器人材料通过要求将硬元素集成到软材料以及并非旨在与其他材料建立牢固联系的材料和设备中而带来了难题。

从系统级的角度来看，机器人材料为某些类型的机器人子系统提供了非常可取甚至必要的方法。分布在机器人大面积区域的感知系统，例如全身触觉传感、本体感觉等，需要在大物理区域上收集传感器测量值。从如此大量的传感器中采样需要大量的通信和处理带宽，尤其是随着传感器密度、采样率、物理尺寸或传感模式数量的增加。最终，通信带宽和处理速度限制了这些传感基板的尺寸和响应能力。同样，需要大量传感器和执行器分布在整个机器人中的连续机器人。对大量传感器进行采样并生成驱动信号的需要限制了此类机器人的自由度。

机器人材料提供了一种缓解此类可扩展性挑战的方法：皮肤和机器人肢体可以被视为机器人的独立组件，而不是外围子系统。感知和控制在材料内本地执行，只需要与主机机器人进行小型、低延迟的通信。伪装系统由一群“水滴”微型机器人组成，它们执行共识和分布式模式生成算法，以匹配他们在环境中感知的主导模式。由于该算法是完全本地化的，因此无论排列的形状或大小如何，系统都能正常工作，从而可以将变色颗粒集成到橡胶片中。

纹理感应皮肤能够通过测量摩擦皮肤时引起的振动来定位对象并区分多达 15 种不同的纹理。该算法是完全分布式的，微控制器网络已集成到橡胶皮中。变形梁由六个相同的可变刚度元件组成，它可以计算以完全分布的方式在 b结束后达到任意形状所需的刚度。所提出的算法与梁的长度成线性比例，尽管允许瞬时运动，将计算减少到相对于系统运动的恒定时间操作。手势检测皮肤包括接近传感器集成到透明聚合物中，能够区分各种社交触摸手势，将在下一节中更详细地描述。该系统通过显示的补丁作为单独的单元来满足上述材料要求，从而可以进行大规模部署，其中高级手势信息以逐跳方式进行通信。裙子是智能织物的原型，它使用规则排列的计算元素来三角测量传入声音的方向。