給機(jī)器人裝上“大腦”和“小腦”！科學(xué)家提出新型混合系統(tǒng)，可顯著提升多任務(wù)處理能力

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舉報(bào) 2020-11-17

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當(dāng)前，大多數(shù)可移動(dòng)機(jī)器人的功能都還處于很初級(jí)的階段，對(duì)它們而言，要想足夠智能地完成某些工作依然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何為機(jī)器人設(shè)計(jì)一種類似“人腦”的大腦結(jié)構(gòu)，來(lái)提升其智能化程度，一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

實(shí)際上，“類人機(jī)器人”的想法早在 40 年前就已經(jīng)提出——模仿人腦的運(yùn)轉(zhuǎn)分工，即使用互補(bǔ)的兩個(gè)腦結(jié)構(gòu)，大腦（或前腦 cerebrum）負(fù)責(zé)視覺(jué)、聽覺(jué)和思維等更高層次的認(rèn)知功能，而小腦（cerebellum）則負(fù)責(zé)整合感官數(shù)據(jù)并控制運(yùn)動(dòng)、平衡和身體姿勢(shì)。但是，在這一想法最初提出時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)器人技術(shù)還尚未實(shí)現(xiàn)。

近日，一篇發(fā)表于《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）的論文就詳細(xì)描述了一種混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將控制運(yùn)動(dòng)的模擬電路和控制感知和決策的數(shù)字電路結(jié)合起來(lái)，不僅顯著降低了系統(tǒng)能耗，還提升了機(jī)器精度和計(jì)算效率。
（來(lái)源：Science Robotics）
研究人員表示，通過(guò)模擬大腦和小腦之間的協(xié)作，機(jī)器人可以在延遲、功耗更低的情況下，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。
混合系統(tǒng)的關(guān)鍵——憶阻器
我們知道，機(jī)器人要想在動(dòng)態(tài)環(huán)境中控制機(jī)體，需要具備極強(qiáng)的處理能力，這既需要有一個(gè)超大的芯片空間，又需要有足夠多的電量來(lái)維持續(xù)航。同時(shí)，機(jī)器人在實(shí)時(shí)控制中，需要快速獲取和處理感官信息，從而可以對(duì)不斷變化的環(huán)境條件做出快速反應(yīng)。

傳統(tǒng)上，機(jī)器人的控制能力主要是依靠純數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這類數(shù)字化系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致高延遲和高功耗。
（來(lái)源：Pixabay）
而在此次工作中，為使機(jī)器人可以適應(yīng)環(huán)境變化，研究人員通過(guò)利用憶阻器（即記憶器件和電阻器件的結(jié)合體）的可重構(gòu)性（可編程導(dǎo)電性）來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。他們使用憶阻器構(gòu)建了一個(gè)模擬電路，該電路下的一種算法負(fù)責(zé)集成來(lái)自機(jī)器人的加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)。

憶阻器是一個(gè)雙端裝置，其電阻取決于先前的輸入。這種電阻存儲(chǔ)器效應(yīng)是非易失性的，這就意味著即使當(dāng)電流被移除時(shí)，它的電導(dǎo)狀態(tài)也會(huì)保留，從而產(chǎn)生電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）。

結(jié)果顯示，這種方法顯著減少了計(jì)算時(shí)間，從而使機(jī)器人控制具有更高的精度和速度成為可能。

此外，可編程電阻性還有額外的好處，即允許計(jì)算和內(nèi)存處于相同的物理位置（這種方法也與人腦處理信息的方法類似），控制系統(tǒng)的計(jì)算效率因此得以提高。而且，它幾乎不會(huì)因?yàn)槠骷淖兓苡绊?，同時(shí)還具有較高的耐損性和較長(zhǎng)的壽命。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中只使用兩個(gè)憶阻器。第一個(gè)憶阻器用于模擬濾波器來(lái)去除會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人不穩(wěn)定的傳感器信號(hào)噪聲，然后運(yùn)動(dòng)控制器接收濾波后的傳感器信號(hào)，并使用第二個(gè)憶阻器來(lái)控制機(jī)器人。為了優(yōu)化第二個(gè)憶阻器的導(dǎo)電性，同時(shí)使系統(tǒng)能夠?qū)ξ粗筒豢深A(yù)測(cè)的情況作出即時(shí)反應(yīng)，研究人員在隨機(jī)搜索算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)適應(yīng)性的學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)模型的方法來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。

由于濾波器和控制函數(shù)的計(jì)算是在模擬域中進(jìn)行的，因此不需要額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這就大大降低了系統(tǒng)功耗、減少了處理時(shí)間和整體電路面積與成本，同時(shí)由于量化噪聲的降低，精度也得以提高。此外，這些功能背后的計(jì)算并不發(fā)生在系統(tǒng)的數(shù)字域，因此減少了其計(jì)算負(fù)荷。
混合系統(tǒng)的局限性與展望
研究人員在移動(dòng)倒立擺機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了他們的混合信號(hào)控制器。這個(gè)裝置看起來(lái)大致像一根平衡放于兩個(gè)輪子上的桿，從懸浮板到倉(cāng)儲(chǔ)物流，這種簡(jiǎn)單機(jī)器人有著非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics）最近推出的手臂機(jī)器人也基于這種模型進(jìn)行操作。
圖｜基于憶阻器控制的混合系統(tǒng)，倒立擺機(jī)器人具有模數(shù)混合計(jì)算和用于快速、節(jié)能和改進(jìn)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，這些功能僅由兩個(gè)記憶電阻器實(shí)現(xiàn)。（來(lái)源：該研究論文）
與標(biāo)準(zhǔn)的全數(shù)字系統(tǒng)相比，這種模擬信號(hào)系統(tǒng)的處理速度要快一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且能效更高。這不僅使其可以降低原來(lái)的電力需求，而且還可以將處理環(huán)路耗時(shí)從 3000 微秒減少到 6 微秒。這顯著提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性，原本如果只使用數(shù)字平臺(tái)，機(jī)器人完成單個(gè)任務(wù)需要耗費(fèi) 3 秒多時(shí)間，現(xiàn)在則只需 1 秒就能完成并穩(wěn)定下來(lái)。

除了憶阻器外，該混合系統(tǒng)的其余部件均可通過(guò)商用電子元件實(shí)現(xiàn)。這將使類似的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器可以與更小、更輕的機(jī)器人結(jié)合在一起使用，使得它們以更高的能效和更快的速度響應(yīng)不斷變化的環(huán)境。

不過(guò)，研究人員也表示，這僅僅是當(dāng)前在概念上的證明。他們建造的機(jī)器人體積小而且只具有基本形態(tài)，在模擬電路上運(yùn)行的算法也相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，可以確定的是，這一概念證明是非常具有前景的，目前已有大量研發(fā)投入到神經(jīng)形態(tài)和基于憶阻器的模擬計(jì)算硬件之中。

正如研究人員所說(shuō)：“通過(guò)模擬人腦的大腦和小腦的協(xié)作，機(jī)器人明顯可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，而且等待時(shí)間更短，功耗更低?！?畢竟到目前為止，“人腦”是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的最佳計(jì)算模型。
參考資料：https://robotics.sciencemag.org/content/5/47/eabe6818https://singularityhub.com/2020/10/26/how-giving-robots-a-hybrid-human-like-brain-can-make-them-smarter/

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