像章鱼一样触手可及:一个受生物学启发的模型打开了软体机器人控制的大门

章鱼的腕足可以协调几乎无限的自由度来完成复杂的动作，如伸手、抓取、抓取、爬行和游泳。这些动物是如何完成如此广泛的活动的，这仍然是一个谜，也是惊奇和灵感的来源。部分挑战来自于内部肌肉的复杂组织和生物力学。

　　

章鱼的腕足可以协调几乎无限的自由度来完成复杂的动作，如伸手、抓取、抓取、爬行和游泳。伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程教授Prashant Mehta和Mattia Gazzola领导的一个多学科项目开发出了一种章鱼腕足肌肉的生理精确模型，发表在《英国皇家学会学报A》。作者表示“我们的模型是同类模型中的第一个，不仅提供了对生物学问题的洞察，而且为未来的软机器人设计和控制提供了框架。”

章鱼腕足令人印象深刻的能力长期以来一直是软体机器人设计和控制的灵感来源。软体机器人有潜力在非结构化环境中执行复杂任务，以及在人类周围安全操作，应用范围之广泛可从农业到外科手术。该研究的主要作者、研究生Heng-Sheng Chang解释说，像章鱼腕足这样的软体系统是建模和控制的主要挑战。他说:“它们由三个主要的内部肌肉群驱动——纵向、横向和斜向肌群——导致手臂以几种模式变形——剪切、伸展、弯曲和扭曲。”“这赋予了柔软肌肉的手臂极大的自由，不像僵硬的机械臂。”

该团队使用存储能量函数来解析章鱼腕肌肉组织，这是一个借用自连续介质力学理论的概念。博士后学者、通讯作者Udit Halder解释说:“腕足位于能量景观的最低点。肌肉驱动会改变储存能量的功能，从而改变腕足的平衡位置并引导运动。”利用储存的能量来解释肌肉，极大地简化了腕足的控制设计。特别是，该研究概述了一种能量塑造控制方法，用于计算解决诸如伸手和抓握等操作任务所需的肌肉激活。当这种方法在软件环境Elastica中进行数值演示时，在三维中模拟章鱼腕足获得了非常逼真的运动。此外，根据Halder的说法，“我们的工作提供了性能的数学保证，这在其他方法(包括机器学习)中往往缺乏。”“我们的工作是伊利诺伊大学正在进行的合作的更大生态系统的一部分。”“在上游，有生物学家对章鱼进行实验。在下游，有些机器人专家正在把这些数学思想应用到真正的软体机器人上。”

Mehta和Gazzola的团队与伊利诺伊州分子和综合生理学荣誉教授Rhanor Gillette合作，将观察到的章鱼生理学纳入他们的数学模型中。未来的工作将讨论基于能量的控制的生物学意义。此外，研究人员正在与伊利诺伊大学工业与企业系统工程教授合作，将他们的数学思想融入到真正的软机器人设计和控制中。这不仅将创造一种系统的控制软体机器人的方法，而且还将提供对它们的工作机制的更深入的理解。