本文介绍了一种生成高度选择性编码的方法，这些编码可以在物理模块上磁性地“编程”，以使其能够以所选的配置自组装。我们基于Hadamard矩阵生成这些编码，并展示如何设计模块的面孔，以对其预期的伴侣具有最大吸引力，同时对其他面孔保持最大不可知论。我们得出这些界限的保证，并通过实验验证它们的吸引力和不可知论。使用其面部已被软磁性材料覆盖的立方模块，我们显示了如何使用带有平面面的廉价的被动模块来选择性地自组装成目标形状，而无需几何指南。我们表明，这些模块可以使用基于CNC的磁性绘图仪轻松地重新编程，以用于新的目标形状，并证明水箱中8个立方体的自组装。

本文介绍了基于立方体的可重构机器人，该机器人利用基于电磁体的驱动框架通过枢轴在三个维度重新配置。尽管已经探索了各种可自我配置机器人的驱动机制，但它们通常会遭受成本，复杂性，组装和尺寸要求，以阻止这种机器人的生产规模。为了应对这一挑战，我们使用基于嵌入每个立方体边缘的电磁体的驱动机制来互换创建相同或相反极化的电磁体对，分别产生排斥或吸引力。通过利用铰链形成的吸引力，并以驱动旋转操作的排斥力，我们可以通过电磁磁性磁极磁极的旋转旋转来重新配置机器人，并使其构成模块（称为电动员）。为了证明这一点，我们开发了完全不受限制的三维自我恢复的机器人，并在抛物线能飞行中使用枢轴和横向动作展示了2D和3D自我调查的方法。本文介绍了我们机器人的硬件设计，其旋转框架，我们的重新配置计划软件以及对系统的动态和电气特性的评估，以告知可扩展的自我可控机器人的设计。

基于被动宏观瓷砖的自组装（TBSA）的新兴领域通过利用TBSA的内在并行性来实现有效的制造过程，这表明了有望实现有效的制造过程。但是，当前的TBSA方法仍然无法满足其潜力，这主要是因为此类组件通常容易出现错误，并且由于机械稳定性不足，单个组件的大小受到限制。此外，随着组件的规模增长，不稳定问题会恶化。我们使用一种新型的磁性粘结瓷砖，在这里提出了一个逆转这种趋势的框架。即，随着组件的成长，它变得更加稳定。通过引入两组朝相反方向移动的瓷砖，从而使组装净力归零，可以实现稳定性。使用基于物理学的计算实验，我们将所提出方法的性能与常见的轨道摇动方法进行比较，证明所提出的瓷砖系统确实具有自动化的特征。我们的方法使组件可以建造数百个瓷砖，而摇动方法本质上仅限于几十英尺。我们的结果表明，基于机械的，基于搅动的TBSA方法的主要局限性之一可能是通过使用一群自由运行的无传感器移动机器人来克服的，以宏观尺度以无源瓷砖为代表。

讨论了与科学，工程，建筑和人为因素相关的月球表面上的运输设施问题。未来十年制造的后勤决策可能对财务成功至关重要。除了概述一些问题及其与数学和计算的关系外，本文还为决策者，科学家和工程师提供了有用的资源。

受生物学最复杂的计算机的启发，大脑，神经网络构成了计算原理的深刻重新重新制定。值得注意的是，在活细胞内部的信息处理分子系统（例如信号转导级联和遗传调节网络）内，在信息处理的分子系统中也出现了类似的高维，高度相关的计算体系结构。在其他物理和化学过程中，即使表面上扮演非信息处理的角色，例如蛋白质合成，代谢或结构自组装等表面上，神经形态集体模式是否会更广泛地发现。在这里，我们检查了多组分结构自组装过程中的成核，表明可以以类似于神经网络计算的方式对高维浓度模式进行区分和分类。具体而言，我们设计了一组917个DNA瓷砖，可以以三种替代方式自组装，从而使竞争成核敏感地取决于三个结构中高分化瓷砖共定位的程度。该系统经过训练，以将18个灰度30 x 30像素图像分为三类。在150小时的退火过程中和之后，在实验上，荧光和原子力显微镜监测确定所有训练有素的图像均正确分类，而一组图像变化集探测了结果的鲁棒性。尽管与先前的生化神经网络相比缓慢，但我们的方法令人惊讶地紧凑，健壮且可扩展。这种成功表明，无处不在的物理现象（例如成核）在将高维多分量系统缩放时可能具有强大的信息处理能力。

MODBOAT是一种低成本，不足的模块化机器人，能够进行表面游泳，停靠到其他模块，并仅使用一个电动机和两个被动式拖鞋从中脱落。通过在某些配置中引起相邻模块的尾巴之间的故意自我碰撞来实现撤消；但是，当集体游泳作为一个连接的组件是理想的时，这将成为一个挑战。在这项工作中，我们制定了一种集中式控制策略，以允许\ textit {任意}配置Modboats作为单个可通道的车辆游泳，并保证不会意外撤离。我们还提出了一个简化的模型，用于在实时控制的配置中以船只之间的流体动力相互作用。我们在实验上证明，我们的控制器的性能很好，对于各种尺寸和形状的配置都是一致的，并且可以同时控制潮流速度和偏航角。游泳时保持可控性，但是纯偏航控制会导致侧向运动，而横向运动不能被提出的框架抵消。

在本文中，我们提出了TAC2POSE，这是一种特定于对象的触觉方法，从首次触摸已知对象的触觉估计。鉴于对象几何形状，我们在模拟中学习了一个量身定制的感知模型，该模型估计了给定触觉观察的可能对象姿势的概率分布。为此，我们模拟了一个密集的物体姿势将在传感器上产生的密集对象姿势的接触形状。然后，鉴于从传感器获得的新接触形状，我们使用使用对比度学习学习的对象特定于对象的嵌入式将其与预计集合进行了匹配。我们从传感器中获得接触形状，并具有对象不足的校准步骤，该步骤将RGB触觉观测值映射到二进制接触形状。该映射可以在对象和传感器实例上重复使用，是唯一接受真实传感器数据训练的步骤。这导致了一种感知模型，该模型从第一个真实的触觉观察中定位对象。重要的是，它产生姿势分布，并可以纳入来自其他感知系统，联系人或先验的其他姿势限制。我们为20个对象提供定量结果。 TAC2POSE从独特的触觉观测中提供了高精度的姿势估计，同时回归有意义的姿势分布，以说明可能由不同对象姿势产生的接触形状。我们还测试了从3D扫描仪重建的对象模型上的TAC2POSE，以评估对象模型中不确定性的鲁棒性。最后，我们证明了TAC2POSE的优势与三种基线方法进行触觉姿势估计：直接使用神经网络回归对象姿势，将观察到的接触与使用标准分类神经网络的一组可能的接触匹配，并直接的像素比较比较观察到的一组可能的接触接触。网站：http：//mcube.mit.edu/research/tac2pose.html

拼图解决问题，从一组非重叠的无序视觉碎片构建一个连贯的整体，是许多应用的基础，然而，过去二十年的大部分文献都集中在较不太现实的谜题上正方形。在这里，我们正规化一种新型的拼图拼图，其中碎片是通过用任意数量的直切割的全局多边形/图像切割而产生的一般凸多边形，这是由庆祝的懒人辅助er序列的产生模型。我们分析了这种难题的理论特性，包括在碎片被几何噪声被污染时解决它们的固有挑战。为了应对此类困难并获得易行的解决方案，我们摘要作为一种具有分层循环约束和分层重建过程的多体弹簧质量动态系统的问题。我们定义了评估指标，并在普通植物和图案谜题上呈现实验结果，以表明它们是完全自动溶解的。

量子点（QDS）阵列是一个有前途的候选系统，实现可扩展的耦合码头系统，并用作量子计算机的基本构建块。在这种半导体量子系统中，设备现在具有数十个，必须仔细地将系统仔细设置为单电子制度并实现良好的Qubit操作性能。必要点位置的映射和栅极电压的电荷提出了一个具有挑战性的经典控制问题。随着QD Qubits越来越多的QD Qubits，相关参数空间的增加充分以使启发式控制不可行。近年来，有一个相当大的努力自动化与机器学习（ML）技术相结合的基于脚本的算法。在这一讨论中，我们概述了QD器件控制自动化进展的全面概述，特别强调了在二维电子气体中形成的基于硅和GaAs的QD。将基于物理的型号与现代数值优化和ML相结合，证明在屈服高效，可扩展的控制方面已经证明非常有效。通过计算机科学和ML的理论，计算和实验努力的进一步整合，在推进半导体和量子计算平台方面具有巨大的潜力。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

解决逆运动学问题是针对清晰机器人的运动计划，控制和校准的基本挑战。这些机器人的运动学模型通常通过关节角度进行参数化，从而在机器人构型和最终效果姿势之间产生复杂的映射。或者，可以使用机器人附加点之间的不变距离来表示运动学模型和任务约束。在本文中，我们将基于距离的逆运动学的等效性和大量铰接式机器人和任务约束的距离几何问题进行形式化。与以前的方法不同，我们使用距离几何形状和低级别矩阵完成之间的连接来通过局部优化完成部分欧几里得距离矩阵来找到逆运动学解决方案。此外，我们用固定级革兰氏矩阵的Riemannian歧管来参数欧几里得距离矩阵的空间，从而使我们能够利用各种成熟的Riemannian优化方法。最后，我们表明，绑定的平滑性可用于生成知情的初始化，而无需大量的计算开销，从而改善收敛性。我们证明，我们的逆运动求解器比传统技术获得更高的成功率，并且在涉及许多工作区约束的问题上大大优于它们。

在机器学习中调用多种假设需要了解歧管的几何形状和维度，理论决定了需要多少样本。但是，在应用程序数据中，采样可能不均匀，歧管属性是未知的，并且（可能）非纯化；这意味着社区必须适应本地结构。我们介绍了一种用于推断相似性内核提供数据的自适应邻域的算法。从本地保守的邻域（Gabriel）图开始，我们根据加权对应物进行迭代率稀疏。在每个步骤中，线性程序在全球范围内产生最小的社区，并且体积统计数据揭示了邻居离群值可能违反了歧管几何形状。我们将自适应邻域应用于非线性维度降低，地球计算和维度估计。与标准算法的比较，例如使用K-Nearest邻居，证明了它们的实用性。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

Multilayer Neural Networks trained with the backpropagation algorithm constitute the best example of a successful Gradient-Based Learning technique. Given an appropriate network architecture, Gradient-Based Learning algorithms can be used to synthesize a complex decision surface that can classify high-dimensional patterns such as handwritten characters, with minimal preprocessing. This paper reviews various methods applied to handwritten character recognition and compares them on a standard handwritten digit recognition task. Convolutional Neural Networks, that are specifically designed to deal with the variability of 2D shapes, are shown to outperform all other techniques.Real-life document recognition systems are composed of multiple modules including eld extraction, segmentation, recognition, and language modeling. A new learning paradigm, called Graph Transformer Networks (GTN), allows such multi-module systems to be trained globally using Gradient-Based methods so as to minimize an overall performance measure.Two systems for on-line handwriting recognition are described. Experiments demonstrate the advantage of global training, and the exibility of Graph Transformer Networks.A Graph Transformer Network for reading bank check is also described. It uses Convolutional Neural Network character recognizers combined with global training techniques to provides record accuracy on business and personal checks. It is deployed commercially and reads several million checks per day.

学习涉及时变和不断发展的系统动态的控制政策通常对主流强化学习算法构成了巨大的挑战。在大多数标准方法中，通常认为动作是一组刚性的，固定的选择，这些选择以预定义的方式顺序应用于状态空间。因此，在不诉诸于重大学习过程的情况下，学识渊博的政策缺乏适应动作集和动作的“行为”结果的能力。此外，标准行动表示和动作引起的状态过渡机制固有地限制了如何将强化学习应用于复杂的现实世界应用中，这主要是由于所得大的状态空间的棘手性以及缺乏概括的学术知识对国家空间未知部分的政策。本文提出了一个贝叶斯味的广义增强学习框架，首先建立参数动作模型的概念，以更好地应对不确定性和流体动作行为，然后将增强领域的概念作为物理启发的结构引入通过“极化体验颗粒颗粒建立） “维持在学习代理的工作记忆中。这些粒子有效地编码了以自组织方式随时间演变的动态学习体验。在强化领域之上，我们将进一步概括策略学习过程，以通过将过去的记忆视为具有隐式图结构来结合高级决策概念，在该结构中，过去的内存实例（或粒子）与决策之间的相似性相互联系。定义，因此，可以应用“关联记忆”原则来增强学习代理的世界模型。

近二十年来，软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是，对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator（Sorosim），该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变（GVS）模型，以促进对软，刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构，并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模，模拟，优化和控制各种机器人系统的潜力，我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单，分支，开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为，软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益，用于多种应用。

Modboat是一种低成本，不足的模块化机器人，能够表面游泳。它能够单独游泳，停靠其他Modboats，并仅使用单个电动机和两个被动拖鞋从它们中取消锁定。通过在相邻模块的尾巴之间引起故意自我碰撞，可以实现无额外动理的撤消；当团队游泳是一个连接的组件时，这将成为一个挑战。在这项工作中，我们制定了一种控制策略，以使平行的Modboats的平行格子作为一个单元游泳，该单元通常需要自动模块。我们表明，保证控制策略可以避免无意中的脱节，并最大程度地减少晶格内的内力。实验验证表明，控制器的性能很好，并且对于各种尺寸的晶格是一致的。游泳时保持可控性，但是纯偏航控制会导致侧向运动，而横向运动不能被提出的框架抵消。

基于旋转扭矩振荡器的复合值Hopfield网络模拟可以恢复相位编码的图像。存储器增强逆变器的序列提供可调谐延迟元件，通过相位转换振荡器的振荡输出来实现复合权重的可调延迟元件。伪逆培训足以存储在一组192个振荡器中，至少代表16 $ \倍数为12个像素图像。恢复图像所需的能量取决于所需的错误级别。对于这里考虑的振荡器和电路，来自理想图像的5％均方方偏差需要大约5 00美元$ S并消耗大约130 NJ。模拟显示，当振荡器的谐振频率可以调整为具有小于10 ^ {-3} $的分数扩展时，网络功能良好，具体取决于反馈的强度。

Tendon-driven robots, where one or more tendons under tension bend and manipulate a flexible backbone, can improve minimally invasive surgeries involving difficult-to-reach regions in the human body. Planning motions safely within constrained anatomical environments requires accuracy and efficiency in shape estimation and collision checking. Tendon robots that employ arbitrarily-routed tendons can achieve complex and interesting shapes, enabling them to travel to difficult-to-reach anatomical regions. Arbitrarily-routed tendon-driven robots have unintuitive nonlinear kinematics. Therefore, we envision clinicians leveraging an assistive interactive-rate motion planner to automatically generate collision-free trajectories to clinician-specified destinations during minimally-invasive surgical procedures. Standard motion-planning techniques cannot achieve interactive-rate motion planning with the current expensive tendon robot kinematic models. In this work, we present a 3-phase motion-planning system for arbitrarily-routed tendon-driven robots with a Precompute phase, a Load phase, and a Supervisory Control phase. Our system achieves an interactive rate by developing a fast kinematic model (over 1,000 times faster than current models), a fast voxel collision method (27.6 times faster than standard methods), and leveraging a precomputed roadmap of the entire robot workspace with pre-voxelized vertices and edges. In simulated experiments, we show that our motion-planning method achieves high tip-position accuracy and generates plans at 14.8 Hz on average in a segmented collapsed lung pleural space anatomical environment. Our results show that our method is 17,700 times faster than popular off-the-shelf motion planning algorithms with standard FK and collision detection approaches. Our open-source code is available online.

通常，地形几何形状是非平滑的，非线性的，非凸的，如果通过以机器人为中心的视觉单元感知，则似乎部分被遮住且嘈杂。这项工作介绍了能够实时处理上述问题的完整控制管道。我们制定了一个轨迹优化问题，该问题可以在基本姿势和立足点上共同优化，但要遵守高度图。为了避免收敛到不良的本地Optima，我们部署了逐步的优化技术。我们嵌入了一个紧凑的接触式自由稳定性标准，该标准与非平板地面公式兼容。直接搭配用作转录方法，导致一个非线性优化问题，可以在少于十毫秒内在线解决。为了在存在外部干扰的情况下增加鲁棒性，我们用动量观察者关闭跟踪环。我们的实验证明了爬楼梯，踏上垫脚石上的楼梯，并利用各种动态步态在缝隙上。