像章鱼一样伸手受生物学启发的模型打开了软机器人控制的大门

章鱼的手臂可以协调近乎无限的自由度来执行复杂的动作，例如伸手、抓握、抓取、爬行和游泳。这些动物如何进行如此广泛的活动仍然是一个谜团、惊奇和灵感的源泉。部分挑战来自内部肌肉的复杂组织和生物力学。

伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程教授PrashantMehta和MattiaGazzola领导的一个多学科项目解决了这个问题。正如皇家学会学报A中所报道的那样，这两位研究人员及其团队开发了一种生理学上准确的章鱼手臂肌肉模型。“我们的模型是同类中的第一个，不仅提供了对生物学问题的洞察力，而且还为未来的软机器人设计和控制提供了一个框架，”梅塔说。

章鱼手臂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。这种软机器人有可能在非结构化环境中执行复杂任务，同时在人类周围安全运行，应用范围从农业到外科手术。

该研究的主要作者、研究生Heng-ShengChang解释说，像章鱼手臂这样的软体系统提出了一个主要的建模和控制挑战。“它们由三个主要的内部肌肉群——纵向、横向和倾斜——驱动，这会导致手臂以多种模式变形——剪切、伸展、弯曲和扭曲，”他说。“与僵硬的手臂不同，这赋予柔软的肌肉手臂很大的自由度。”

该团队的主要见解是使用储能函数来表达手臂肌肉组织，这是一个从连续介质力学理论中借用的概念。博士后学者和通讯作者UditHalder解释说：“手臂处于能量景观的最低点。肌肉驱动会改变储存的能量功能，从而改变手臂的平衡位置并引导运动。”

使用储存的能量来解释肌肉大大简化了手臂的控制设计。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，当在三个维度上模拟章鱼手臂时，该模型导致非常逼真的运动。此外，根据Halder的说法，“我们的工作提供了性能的数学保证，而这在替代方法(包括机器学习)中通常是缺乏的。”

“我们的工作是伊利诺伊大学持续合作的更大生态系统的一部分，”梅塔说。“在上游，有生物学家在章鱼身上进行实验。在下游，有机器人专家正在将这些数学思想应用于真正的软体机器人。”

Mehta和Gazzola的团队与伊利诺伊州分子和综合生理学名誉教授RhanorGillette合作，将观察到的章鱼生理学纳入他们用于这项研究的数学模型。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斯州工业与企业系统工程教授GirishKrishnan合作，将他们的数学思想融入到真正的软体机器人设计和控制中。这不仅会创建一种控制软体机器人的系统方法，而且还将提供对其工作机制的更深入了解。

这项工作是Cyber​​Octopus项目的一部分，该项目是伊利诺伊大学协调科学实验室的一项多学科大学研究计划，得到了海军研究办公室的支持。