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Science機器人子刊：新技術讓機器人更加靈活，可適應變化環境！

Wei Wu group 2020-11-11

第一作者：Buyun Chen, Hao Yang

通訊作者：Wei Wu

通訊單位：University of Southern California

研究亮點：

1. 提出了基于憶阻器的模擬數字混合計算機在機器人控制領域的應用。該混合計算平臺在數字計算單元中實現了高級算法，而在模擬計算單元中實現了傳感器融合（加速度計和陀螺儀），濾波和運動控制算法。

2. 研究人員通過利用憶阻器的可編程性（可編程電導率）實現了適應變化環境的機器人運動控制。這種方法該方法在極大的降低系統延遲和功耗的同時，提升了機器人的性能。

研究背景

由于物理定律的限制，摩爾定律終將走到盡頭，目前進一步通過縮小晶體管來提高計算機的性能已經非常困難。這個問題不僅限制了通用計算機算力的進一步提升，也同時限制了機器人領域的發展。與我們日常使用的家用計算機不同的是，機器人的計算平臺需要實時處理傳感器信息和控制執行器。隨著機器人領域的不斷發展，其結構也變得更加復雜。而算力已經趨于飽和的傳統數字計算機在未來將很難滿足機器人日益增長的算力需求。所以，設計一種能夠實時處理復雜信息，并具有低延遲和低功耗的專用計算機可以解決當下機器人領域會遇到的問題。

當前，數字計算機在這幾十年隨著加工工藝的不斷提高得到了巨大的發展，但數字計算機的算力和功耗還是無法和人腦相提并論。傳統數字計算機究竟會朝著什么方向發展，其算力的極限是什么是21世紀最重要的科學問題之一。雖然這個問題目前沒有答案，但神奇的大自然已經告訴了我們答案是存在的，人腦或者說生物的大腦就是自然界給我們的答案。但大自然并沒有告訴我們究竟如何能達到這個答案。目前人類對大腦還沒有完全理解，所以只能通過簡單的模仿來進一步提高計算機的性能。人體的控制是十分復雜的，人腦通過大腦和小腦的協作完成日常活動，大腦負責想一些奇奇怪怪的東西，小腦負責身體的運動。那機器人的計算單元能不能借鑒這個結構來進行優化呢？答案當然是可以的。

數字計算機作為主流通用計算機，其計算精確，可編程性高。但由于內存和計算單元的分割使得其計算效率并不是很高。模擬計算機直到上世紀80年代還有在研究和應用。但由于其計算精確度不高，可編程性差，慢慢被人們所遺忘。但模擬計算有速度快，延遲低等特點。而機器人作為控制系統，其本身的魯棒性使得其對計算精確度要求不高，對系統的低延遲要求很高。所以在機器人系統中采用數字模擬混合計算機，在數字計算單元中實現了高級算法，而在模擬計算單元中實現傳感器融合和運動控制算法可以降低系統延遲和功耗，并同時提升機器人的動態性能。這種混合計算架構早在上世紀就有應用到足式機器人計算平臺上，但由于模擬計算本身可編程性差，加上數字計算機的發展，這種架構后來沒有得到廣泛應用。幸運的是，近年來憶阻器的提出和發展，使得可編程性的模擬計算機的大規模應用成為可能。

圖1. 基于憶阻器的模數混合計算架構。

成果簡介

有鑒于此，南加州大學吳蔚課題組提出了基于憶阻器的模數混合計算平臺在機器人控制領域的應用。研究人員通過利用憶阻器的可編程性（可編程電導率）實現了自適應的機器人運動控制。這種方法該方法在極大的降低系統延遲和功耗的同時，提升了機器人的性能。

要點1：憶阻器的結構和電學特性

憶阻器的結構和可編程特性的實驗結果如下圖。通過調節電壓和通過電流，憶阻器可以被精確的可編程到174個不同的電導率值上。

圖2. 憶阻器的結構和其在直流電壓或者脈沖電壓下的可編程多態的電學特性。

要點2：利用憶阻器可編程性控制機器人運動

利用憶阻器的可編程性，研究人員實現了簡單的可編程的卡爾曼濾波器對機器人的傳感器（陀螺儀和加速度計）進行濾波（圖1）。濾波后的信號被基于憶阻器的模擬比例微分控制器（PD controller）進行下一步處理（圖2）。利用憶阻器的可編程特點，研究人員設計了隨機搜索算法來優化憶阻器在電路中的參數已達到最優化機器人控制的策略。