在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域，模塊化機(jī)器人憑借其可重構(gòu)、可擴(kuò)展的潛力，一直是研究的熱點(diǎn)。然而，如何讓這些分散的模塊單元在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，尤其是在缺乏集中式控制或全局通信的條件下，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)，依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)還需要具備應(yīng)對(duì)單個(gè)模塊故障、環(huán)境擾動(dòng)等不確定因素的魯棒性(Robustness)和容錯(cuò)性(Fault Tolerance)。自然界為我們提供了絕佳的靈感：從鳥群的整齊列隊(duì)到魚群的協(xié)同游動(dòng)，這些生物系統(tǒng)展現(xiàn)出了驚人的自組織(Self-organization)能力，個(gè)體間僅通過局部的感知和物理交互就能涌現(xiàn)出復(fù)雜的群體行為。受此啟發(fā)，科學(xué)家們開始探索如何將這種生物啟發(fā)的自組織原理應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，特別是游泳機(jī)器人，以期實(shí)現(xiàn)類似的高適應(yīng)性和魯棒性。

為了解決上述問題，一項(xiàng)發(fā)表在《IEEE Robotics and Automation Letters》上的研究提出了一種新穎的控制策略。該研究從一種名為團(tuán)藻(Volvocine algae)的原始多細(xì)胞生物中汲取靈感，這類藻類細(xì)胞之間通過物理連接，能夠協(xié)調(diào)鞭毛的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)群體的游泳運(yùn)動(dòng)。研究人員將經(jīng)典的Winfree相位振蕩器同步模型與機(jī)器人的物理交互相結(jié)合，開發(fā)了一種“Winfree模型型同步控制方法”。該方法的核心思想是，讓每個(gè)機(jī)器人模塊的振蕩運(yùn)動(dòng)（如用于推進(jìn)的擺動(dòng)）相位，能夠根據(jù)與鄰居模塊的物理接觸力（即“物理交互”）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而在沒有中央指令的情況下，自發(fā)地實(shí)現(xiàn)所有模塊的節(jié)奏同步。

為了驗(yàn)證這一方法，研究人員構(gòu)建了一個(gè)由多個(gè)模塊組成的游泳機(jī)器人群體，其運(yùn)動(dòng)模式模仿了鞭毛的擺動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，僅僅依靠模塊間的物理接觸，整個(gè)群體就能自組織地進(jìn)入同步擺動(dòng)狀態(tài)，并因此獲得了穩(wěn)定的前進(jìn)姿態(tài)。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)通過故意讓群體中的一個(gè)模塊停止工作，來(lái)模擬系統(tǒng)故障。實(shí)驗(yàn)表明，即使在這樣的情況下，剩余的模塊依然能夠通過調(diào)整相互間的物理作用，重新達(dá)到同步，維持群體的基本運(yùn)動(dòng)能力，這有力地證明了該系統(tǒng)具有內(nèi)在的容錯(cuò)性。這項(xiàng)工作將此前在四足機(jī)器人等領(lǐng)域展示出潛力的、基于交互的“TEGOTAE”控制理念，成功擴(kuò)展到了游泳模塊機(jī)器人領(lǐng)域。其提出的Winfree型控制方案不依賴于機(jī)器人特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，具有更廣泛的適用性，為開發(fā)高適應(yīng)性、高魯棒的模塊化群體機(jī)器人系統(tǒng)提供了新的理論工具和實(shí)踐路徑。

本研究主要采用了幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方法：首先，基于經(jīng)典的Winfree相位振蕩器模型，構(gòu)建了控制律，將模塊間的物理接觸力（相互作用力）轉(zhuǎn)化為對(duì)單個(gè)模塊振蕩相位的調(diào)節(jié)輸入。其次，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了受團(tuán)藻啟發(fā)的游泳模塊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于在真實(shí)物理環(huán)境中驗(yàn)證控制算法。最后，通過設(shè)計(jì)包含正常同步游泳和模擬單模塊故障在內(nèi)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用運(yùn)動(dòng)捕捉等設(shè)備采集機(jī)器人群體姿態(tài)、相位差等數(shù)據(jù)，定量評(píng)估了控制方法的同步性能、姿態(tài)穩(wěn)定性及系統(tǒng)容錯(cuò)性。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)觀察到，在應(yīng)用所提出的Winfree模型型控制后，機(jī)器人群體能夠從隨機(jī)的初始相位狀態(tài)，通過模塊間的物理碰撞和接觸，自發(fā)地收斂到同步擺動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證了該方法通過純物理交互實(shí)現(xiàn)自組織同步的能力。

在達(dá)到同步狀態(tài)后，機(jī)器人群體表現(xiàn)出更穩(wěn)定、更有效率的游泳姿態(tài)。數(shù)據(jù)分析表明，同步控制顯著降低了群體的姿態(tài)角波動(dòng)，提高了直線前進(jìn)的穩(wěn)定性，證明同步對(duì)群體運(yùn)動(dòng)性能有積極貢獻(xiàn)。

在故意使群體中一個(gè)模塊失效的實(shí)驗(yàn)中，剩余模塊在經(jīng)歷短暫的失步調(diào)整后，能夠重新建立同步并維持群體游泳運(yùn)動(dòng)。這直接證明了該同步控制系統(tǒng)在面對(duì)個(gè)體故障時(shí)，依然能通過剩余的物理交互網(wǎng)絡(luò)維持基本功能，展現(xiàn)了良好的容錯(cuò)性。

本研究成功開發(fā)并驗(yàn)證了一種基于Winfree模型的同步控制方法，用于實(shí)現(xiàn)游泳模塊機(jī)器人通過物理交互的自組織。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能有效驅(qū)動(dòng)機(jī)器人群體達(dá)成運(yùn)動(dòng)節(jié)律的同步，還能顯著提升群體游泳時(shí)的姿態(tài)穩(wěn)定性。尤為重要的是，研究通過模擬單模塊故障實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該系統(tǒng)具備良好的容錯(cuò)能力，部分模塊的失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。這項(xiàng)工作的意義在于，它將生物系統(tǒng)的自組織原理與工程控制理論相結(jié)合，提出了一種不依賴于特定機(jī)器人結(jié)構(gòu)或復(fù)雜通信協(xié)議的群體控制新思路。通過強(qiáng)調(diào)“物理交互”作為協(xié)調(diào)媒介，該研究為在通信受限或不可靠的環(huán)境（如水下、狹窄空間）中部署魯棒、自適應(yīng)的模塊化機(jī)器人群體提供了可行的技術(shù)方案，推動(dòng)了模塊化機(jī)器人向更高程度的自主性和適應(yīng)性發(fā)展。