Only Perception: 接觸研究：科學家著眼水母，改良機器人

2008-07-28

接觸研究：科學家著眼水母，改良機器人

Touching research: To improve robots, researcher eyes jellyfish
http://www.physorg.com/news134894016.html

July 10, 2008

(PhysOrg.com) -- 生物學教授 Joseph Ayers 正擴展其動物神經系統的研究（那製造出 Robo Lobster (機器大螯蝦) 與 RoboLamprey (機器八目鰻)），以包含一項對水母與龍蝦之觸覺感知的研究。

黑暗中，水底機器人必須依賴觸覺與流體動力學的感覺，觸手（tentacles）與觸角（antennae）是可選用的感應器。Ayers 希望創造出自主的、仿生的水底機器人模型，利用新的電子神經系統（ENS）控制器仿效動物的神經系統。

"幾乎沒有那種能在不可預料的環境中運作的自主機器人，" Ayers 說。"我們帶來的是對「神經系統如何控制動物模型的行為」一種真正令人滿意的理解。若我們能打造一具真正地仿生機器人，它將體現 4 百萬年來演化的成果。"

在與 Schlumberger-Doll Sensor Physics Group（這個部門引領技術創新的基礎研究）的 Martin Poitzsch 以及 Matt Sullivan 還有 Kazuo Mori（東北大學海洋科學中心博士後研究）以及 Warren Gibbons（一位水母養殖專家）的共同合作下，Ayers 在 Nahant 中心建立了一座水母養殖實驗室。

Ayers 對於以更堅硬的龍蝦觸角比較比水母柔軟、可彎曲的觸手感到興趣。

鑑於龍蝦似乎使用一種中央極權式的感覺系統，那由神經節（ganglia）來調停，可視為分散在螯、腳或尾段的迷你頭腦，水母則顯然使用不同的神經組織方案來來感知環境。

"龍蝦與水母身上的感覺系統不一樣，" Ayers 說，"而我們試圖確定牠們的觸覺與流體動力學機制有何不同。透過比較它們，我們將獲得深刻的理解，只觀察牠們其中一種是無法獲得的。"

Ayers 說，水母身上的感覺神經分散在一個遍佈其觸手的神經網路中，而且其觸手中的區域迴路或許是獨立的，但由此動物的中央腦袋所調控。構想是要確定有多少局部性程序發生在觸手的周邊神經系統上。

透過 Gibbons 的專門技術，Ayers 養殖了水螅體（polyp，譯註：此時水母行無性 (出芽) 生殖）與水母體（medusa，譯註：此時水母行有性生殖）形態的水母。當以碘處理時，Ayers 說，水螅體在一種稱為橫裂現象（strobilation，譯註：原文誤做 strobulation）的過程中出芽脫離而成水母體 -- 一種無性生殖，可產生能自由游動的水母。

藉由在開放迴路的（open-loop）狀態中（那沒有來自於環境的反饋）比較觸手在水螅體與水母體中的控制，Ayers 將能利用所獲得的神經生物學知識來建立控制觸手的神經迴路。基於這些網路的機器人模型將在封閉迴路狀態中測試動物神經系統運作機制的假說。

"我們進行中研究的目標是要替機器人創造出一種新穎的觸手感應器，那憑藉著龍蝦與水母的控制原理而運作，" Ayers 說。"我們使用來自於動物模型的實驗性證據塑造電子模型的發展。那是一種我們認為動物神經系統如何運作的模擬。"

在來自 DARPA 的資金，以及與 Nikolai Rulkov（Information Systems Laboratories，San Diego）的共同研究下， Ayers（David Brady 工程副教授）與 Anthony Westphal（畢業生）也以新的電子神經系統改造他的 RoboLamprey (機器八目鰻)。龍蝦與八目鰻的先前化身（被設計成搜尋海中水雷）是基於以有限狀態機（finite state machine）為基礎的控制器，那使機器的效用在不可預料的環境中受到限制。

在一篇標題為「Controlling Biomimetic Underwater Robots with Electronic Nervous Systems」（來自於《Biomechanisms of Swimming and Flying》這本書）的新近研究中，Ayers 表示這種新電子神經系統 "讓一件事物能以異乎尋常的細節複製神經生物學系統的真實行為，並在控制功能與來自於動物的實驗性測量之間提供一種聯繫。"

Ayers 強調，某一種動物的成功機器人模型將不會完全地自主，而是在受監督之反應性自主（reactive autonomy）的狀態下運作。

"如果我在沙灘上遛狗，而我扔了一顆球到水中，狗兒游出去在返回來，' Ayers 說。"我是監督者；我賦予機器人一個目標，而狗兒如同一個機器人，利用反應性自主將球咬回來而不用我告訴它該怎麼做。困難的地方是，我們想要它們在不可預知的情勢中運作，在那裡我們看不見它們，但沒人想要一種能夠完全自主的機器人，所以監督者的控制是必要的。"

雖然 Ayers 說 RoboLobster 或 RoboLamprey 的一種可能應用是清除衝浪地區的水雷（他說全世界大約部屬了 1 億個活水雷），這裡仍有一種令人信服的需求要建立一種機器人平台，那能用於複雜的環境中，例如小溪與河流。

"動物已經演化成佔據了任何你想要放機器人的環境，" Ayers 說。"我們的目標是找出一種方法來" 利用這些機器人 "解決問題，"（生態學等），它們 "能做那些人類會覺得窮極無聊或著那些如此危險以致於你不想要讓人類去做的事。"

※ 相關報導：

＊ Joseph Ayers
http://www.neurotechnology.neu.edu/ayers.html

＊ Bio-mechanisms of Swimming and Flying
http://www.springer.com/life+sci/bioinformatics/book/978-4-431-22211-8