MIT的機器船艦隊升級了！這次機器船學會了變形。可以運貨載人、遇到障礙還可自己搭橋鋪路，有效緩解交通擁堵，實驗顯示將60米寬的運河的通行時間由10分鐘縮短至2分鐘。

近日，麻省理工學院(MIT)宣布，它的機器船艦隊“Roboat”已經升級，具備了“變形”的新能力！

研究人員通過自動斷開并重新組裝成各種配置，可以在阿姆斯特丹的許多運河中形成浮動結構。

Roboat是什么，有什么用？

roboats 這些自動駕駛船是配備傳感器、推進器、微控制器、GPS模塊、攝像機和其他硬件的矩形船體，是麻省理工學院和阿姆斯特丹先進都市解決方案研究所(AMS Institute)正在進行的“Roboat”項目的一部分。

該項目由麻省理工學院教授Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman和 Andrew Whittle領導。

未來，阿姆斯特丹希望這些機器人能在165條蜿蜒的運河上巡游，運送貨物和人員，收集垃圾，或自行組裝成“彈出式”平臺——比如橋梁和舞臺——以幫助緩解城市繁忙街道上的擁堵。

2016年，麻省理工學院(MIT)的研究人員測試了一個機器人原型，它可以沿著運河中預先設定的路徑向前、向后和橫向移動。 去年，研究人員設計了低成本、3D打印、四分之一規模版本的船，這些船更加高效靈活，并配備了先進的軌跡跟蹤算法。6月，他們創造了一種自動鎖定機制，讓船只相互瞄準并相互扣合，如果失敗則繼續嘗試。

在上周IEEE多機器人和多智能體系統國際研討會上發表的一篇新論文中，研究人員描述了一種算法，該算法能讓roboat盡可能順利地重塑自己。

該算法處理所有的計劃和跟蹤，使roboa單元組能夠在一個集合配置中彼此解鎖，以無碰撞的路徑移動，并重新連接到新集合配置中的適當位置。

在麻省理工學院的演示池和計算機模擬中，一組組相連的roboa單元將自己從直線或正方形重新排列成其他形狀，比如矩形和“L”形。

實驗轉換只花了幾分鐘。更復雜的形狀變化可能需要更長的時間，這取決于移動單元的數量(可能是幾十個)和兩種形狀之間的差異。

“我們已經讓現在的roboats與其他roboats建立和斷開聯系,希望將阿姆斯特丹街頭的活動轉移到水面上，”羅斯說,計算機科學與人工智能實驗室的主任(CSAIL)和Erna Viterbi比電氣工程和計算機科學的教授。

“如果我們需要將材料或人員從運河的一邊運送到另一邊，那么一組船可以組合成線性形狀，就像彈出式橋梁一樣。”或者，我們可以為花卉或食品市場創建更大的彈出式平臺。”

如何規劃無碰撞路徑？

在他們的工作中，研究人員必須通過自主規劃、跟蹤和連接roboat組來應對挑戰。例如，要讓每個單元都具有獨特的功能，比如定位彼此、就如何拆分和改革達成一致、然后自由移動，這就需要復雜的通信和控制技術，而這些技術可能會使移動變得低效和緩慢。

為了使操作更加順暢，研究人員開發了兩種類型的單元:協調器coordinator和工作器worker。一個或多個worker連接到一個協調器，形成一個實體，稱為“連接容器平臺”(connection -vessel platform, CVP)。

所有的協調器和worker都有四個螺旋槳，一個無線微控制器，幾個自動鎖存機構和傳感系統，使它們能夠連接在一起。

然而，協調器也配備了GPS導航和慣性測量單元(IMU)，用于計算定位、姿勢和速度。worker只有能夠幫助CVP沿著路徑轉向的執行器。

每個協調器都知道并可以與所有連接的worker進行無線通信。結構由多個CVP組成，單個CVP可以相互連接，形成一個更大的實體。

在變形過程中，結構中所有連接的CVP都會比較其初始形狀和新形狀之間的幾何差異。

然后，每個CVP決定它是否停留在同一位置以及是否需要移動。然后，每個移動的CVP被分配一個時間來拆卸，并在新形狀中設置一個新位置。每個CVP使用自定義軌跡規劃技術來計算在不中斷的情況下到達目標位置的方式，同時優化路線以提高速度。

為此，每個CVP預先計算移動CVP周圍的所有無碰撞區域，使其旋轉并遠離靜止CVP。

在預先計算了這些無碰撞區域之后，CVP然后找到到達其最終目的地的最短軌跡，這仍然使其不會撞擊靜止單元。 值得注意的是，優化技術被用來使整個軌跡規劃過程非常有效，預先計算只需100毫秒多一點就可以找到和細化安全路徑。

協調器利用GPS和IMU提供的數據，估計出它在質心處的位置和速度，并通過無線網絡控制每個單元的所有螺旋槳，然后移動到目標位置。 在實驗中，研究人員在幾種不同的變形場景中測試了三個單元的CVP，包括一個協調器和兩個worker。

每個場景都包括一個CVP從初始形狀解鎖，然后在第二個CVP前后移動并重新連接到目標點。

例如，三個CVP從一條相連的直線重新排列 - 它們在兩側被鎖在一起 - 成為一條連接在前后的直線，也就是一個“L”型。

在計算機模擬中，多達12個roboat單元將自己從矩形重新排列成正方形或從實心正方形重新排列成Z形。更大的“動態橋梁”來襲！ 實驗是在四分之一大小的船形機器人身上進行的，它們長約一米，寬約半米。但研究人員相信，他們的軌跡規劃算法在控制全尺寸單位時可以很好地擴展，這些單位的長度約為4米，寬度為2米。

在大約一年的時間里，研究人員計劃利用該roboat在阿姆斯特丹市中心的尼莫科學博物館和一個正在開發的區域之間架起一座橫跨60米運河的動態“橋梁”。

這個名為RoundAround的項目將使用roboat在運河上連續航行，在碼頭接載乘客，當他們發現路上有任何東西時，就會停下來或改道。目前，在這條水道上行走大約需要10分鐘，但這座橋可以把這段時間縮短到大約兩分鐘。

“這將是世界上第一座由自動駕駛船隊組成的橋梁，”Ratti 說。“一座普通的橋非常昂貴，因為你有船通過，所以你需要一座開放的機械橋或一座很高的橋。但我們可以(通過)自主船只連接運河兩岸，使其成為漂浮在水面上的動態、靈敏的建筑。”

為了實現這一目標，研究人員正在進一步開發roboat，以確保它們能夠安全地載人，并且能夠適應各種天氣條件，例如大雨。

他們還確保roboat可以有效地連接到運河的兩側，這可能在結構和設計上都有很大差異。