麻省理工学院的机器船队已升级了新功能，可以“变形”，即自主断开并重新组合成多种构型，在阿姆斯特丹众多的运河中形成浮动结构。
这些自主船只采用矩形船体，配备传感器、推进器、微控制器、GPS模块、摄像头及其他硬件，目前正作为持续进行的“Roboat”项目的一部分进行开发，该项目由麻省理工学院与阿姆斯特丹先进大都市解决方案研究所（AMS Institute）合作开展。项目由麻省理工学院教授卡洛·拉蒂（Carlo Ratti）、丹尼拉·卢斯（Daniela Rus）、丹尼斯·弗伦奇曼（Dennis Frenchman）和安德鲁·惠特尔（Andrew Whittle）领导。未来，阿姆斯特丹希望让这些机器船在其165条蜿蜒的运河中航行，运输货物和人员、收集垃圾，或自行组合成“临时”平台（如桥梁和舞台），以缓解城市繁忙街道的交通拥堵。
2016年，麻省理工学院的研究人员测试了一款机器船原型，它可以沿运河中预先编程的路径前进、后退和横向移动。去年，研究人员设计了成本低廉、采用3D打印、按四分之一比例制作的船只版本，这些船只效率更高、机动性更强，并配备了先进的轨迹跟踪算法。6月，他们开发了一种自主“连接”机制，使船只能够瞄准并相互抓合，若失败则持续尝试。
在上周举行的IEEE多机器人与多智能体系统国际研讨会上发表的一篇新论文中，研究人员描述了一种算法，该算法能使机器船以尽可能高效的方式平稳地重塑自身形态。该算法负责处理所有的规划与跟踪工作，使多个机器船单元能够从一种既定构型中解除连接，沿无碰撞路径行进，并重新连接到新构型中的相应位置。
在麻省理工学院的水池演示和计算机模拟中，相连的机器船单元组可以从直线或正方形重新排列为其他构型，例如矩形和“L”形。实验中的变形仅用了几分钟。更复杂的变形可能需要更长时间，具体取决于参与移动的单元数量（可能多达数十个）以及两种形状之间的差异。
“我们已使机器船能够与其他机器船建立和断开连接，希望将阿姆斯特丹街道上的活动转移到水上。”计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）主任、安德鲁和厄尔纳·维特比电气工程与计算机科学教授卢斯表示，“如果我们需要将物资或人员从运河一侧运送到另一侧，一组船只可以聚集形成线性结构，作为临时桥梁。或者，我们可以搭建临时的更宽平台，用于举办花卉或食品市场。”
与卢斯共同参与该论文的还有：麻省理工学院Senseable City Lab主任拉蒂，以及同属该实验室的第一作者班蒂·盖内蒂（Banti Gheneti）、瑞安·凯利（Ryan Kelly）和德鲁·迈尔斯（Drew Meyers），三人均为研究人员；博士后研究员朴信奎（Shinkyu Park）；以及研究员皮耶特罗·莱昂尼（Pietro Leoni）。
无碰撞轨迹
在这项工作中，研究人员必须应对机器船单元组在自主规划、跟踪和连接方面的挑战。例如，若要让每个单元具备独特能力，如相互定位、就如何分离与重组达成一致，然后自由移动，则需要复杂的通信与控制技术，而这可能导致移动效率低下且速度缓慢。
为实现更顺畅的运行，研究人员开发了两类单元：协调单元和工作单元。一个或多个工作单元与一个协调单元相连，形成一个单一实体，称为“连接船舶平台”（CVP）。所有协调单元和工作单元均配备四个螺旋桨、一个支持无线通信的微控制器，以及若干自动化连接机构和传感系统，使其能够相互连接。
然而，协调单元还配备了用于导航的GPS，以及一个计算定位、姿态和速度的惯性测量单元（IMU）。工作单元仅配备执行器，用于帮助CVP沿路径转向。每个协调单元都能感知所有已连接的工作单元，并可与其进行无线通信。结构由多个CVP组成，各个CVP之间可以相互连接，形成更大的实体。
在变形过程中，结构中所有已连接的CVP会比较其初始形状与新形状之间的几何差异。随后，每个CVP判断自身是否保持在原位以及是否需要移动。每个移动中的CVP随后被分配一个拆解时间和在新形状中的新位置。
每个CVP采用定制的轨迹规划技术，计算出在不中断的情况下到达目标位置的路径，同时优化路线以提高速度。为此，每个CVP会预先计算出在其围绕静止单元旋转并远离时，周围所有无碰撞区域。
在预先计算出这些无碰撞区域后，CVP随后找到通往最终目的地的最短轨迹，该轨迹仍能使其避免撞上静止单元。值得注意的是，研究人员采用优化技术，使整个轨迹规划过程非常高效，其中预计算仅需略多于100毫秒即可找到并优化安全路径。协调单元随后利用GPS和IMU的数据，估算其质心处的姿态和速度，并无线控制每个单元的所有螺旋桨，使其移动至目标位置。
在实验中，研究人员测试了由一个协调单元和两个工作单元组成的三单元CVP，涉及多种不同的变形场景。每个场景均涉及一个CVP从初始形状中解除连接，并移动到第二个CVP周围的目标位置重新连接。
例如，三个CVP可以从相连的直线（它们在侧面相连）重新排列为前后相连的直线，以及形成一个“L”形。在计算机模拟中，多达12个机器船单元可以从例如矩形重新排列为正方形，或从实心正方形重新排列为类似Z形的形状。
规模扩大
实验使用的是四分之一尺寸的机器船单元，其长约1米，宽约0.5米。但研究人员认为，其轨迹规划算法在控制全尺寸单元时同样能够良好扩展，全尺寸单元的长约4米，宽约2米。
研究人员希望利用这些机器船，在阿姆斯特丹市中心的NEMO科学博物馆与一片正在开发的区域之间，跨越一条60米宽的运河，形成一座动态“桥梁”。该项目名为RoundAround，其构想是利用机器船在运河上连续绕圈航行，在码头上下乘客，并在检测到任何障碍物时停止或改道。目前，绕过该水道步行约需10分钟，而这座桥梁可将时间缩短至约两分钟。这仍是一个探索性概念。
“这将是世界上第一座由自主船只船队组成的桥梁，”拉蒂表示，“普通桥梁的造价会非常高昂，因为船只需要从中通过，因此你需要一座可开合的机械桥或一座非常高的桥。但我们可以利用自主船只连接运河两岸，它们将成为漂浮于水面、动态且具有响应性的建筑。”
为实现这一目标，研究人员正在进一步开发机器船，以确保其能够安全承载人员，并能适应各种天气条件，例如大雨。他们还在确保机器船能够有效连接运河两侧，而运河的结构和设计可能差异很大。
