麻省理工学院开发出组装机器人:未来可建造太空殖民地

作者: 技术力量 2019-10-17 10:30:39

麻省理工学院开发出组装机器人:未来可建造太空殖民地

两个正在工作的原型组装机器人,它们将一系列称为体素的小单元组装成一个较大的结构

麻省理工学院博士生本杰明·杰内特(Benjamin Jenett)和原子中心的尼尔·格申费尔德教授(Neil Gershenfeld)在《电气电子工程师学会机器人与自动化快报》科学期刊上发表报告称,开发出一种组装机器人原型,它可以用很小的零件制成大型结构。这种小型机器人系统可能有一天会建造从飞机到太空定居点的高性能结构。

麻省理工学院开发出组装机器人:未来可建造太空殖民地

麻省理工学院博士生本杰明·杰内特

以飞机制造为例,如今的商用飞机一般是分节制造的,通常是在不同的位置制造–一个工厂的机翼,另一个工厂的机身部分,其他地方的尾翼部件–然后空运到大型货运飞机的中央工厂进行最终组装。但是,如果最后的装配是唯一的装配,而整个飞机是由大量细小的相同零件组成,并且全部由一群微型机器人组成的,那该怎么办呢?组装机器人的原型版本可以解决这种难题,它可以组装小型结构,甚至可以作为一个团队一起构建更大的组件。

麻省理工学院开发出组装机器人:未来可建造太空殖民地

图片序列显示了一个组装机器人在工作,在一个正在施工的结构的另一侧上方和下方承载一个结构单元

休斯敦大学电气与计算机工程副教授亚伦·贝克尔(Aaron Becker)说:“这种机器人结合了一流的机械设计,令人叹为观止的演示,它的硬件包含超过100000个元素的仿真套件。其核心是一种我们称为相对机器人的技术。”

从历史上看,机器人技术分为两大类:一类是由昂贵的定制组件制成的,这些组件针对诸如工厂组装之类的特殊应用进行了精心优化,而另一类则是由廉价,批量生产且性能低得多的模块制成。但是,麻省理工学院科学家开发的这种新机器人可以替代这两种机器人。它比第一种机器人要简单得多,而且要比后者要强大得多,并且它有可能彻底改变大型系统的生产,从飞机到桥梁再到整个建筑物。

麻省理工学院开发出组装机器人:未来可建造太空殖民地

尼尔·格申费尔德教授

格申费尔德教授表示,核心区别在于机器人设备与其所处理和操纵的材料之间的关系。有了这些新型的机器人,无法将机器人与结构分开,它们可以作为一个系统协同工作。” 比如,尽管大多数移动机器人都需要高度精确的导航系统来跟踪其位置,但是新的组装机器人只需要跟踪它们相对于当前正在工作的称为子像素的小型子单元的位置。机器人每踏入下一个体素时,都会始终根据其当前站立的特定组件重新调整其位置感。

这样做的一个好处是,就像可以通过使用屏幕上的像素阵列来复制最复杂的图像一样,几乎任何物理对象都可以作为较小的三维碎片或体素的阵列来重建,而这些三维碎片或体素可以自己制作简单的支柱和节点

该团队证明,可以布置这些简单的组件来有效地分配负载。它们主要由开放空间组成,因此结构的总重量最小。可以通过简单的组装器将这些单元拾起并放置在彼此相邻的位置,然后使用内置在每个体素中的闩锁系统将其固定在一起。

机器人本身就像一个小臂,中间有两个长节,两个长节铰接在一起,每个末端都有用于夹持在体素结构上的设备。这些简单的设备像蠕虫一样四处移动,通过反复打开和关闭其V形主体,从一个移到另一个,沿着一排体素前进。杰内特称其为小型机器人BILL-E(双足各向同形运动探测器)。

麻省理工学院开发出组装机器人:未来可建造太空殖民地

原型组装机器人的工作动画

杰内特已构建了几种版本的组装器作为概念验证设计,以及具有锁定机制的相应体素设计,可以轻松地将每个组装者与邻居分离或组装。他使用这些原型演示了将块组装为线性,二维和三维结构的过程。他说:“我们没有把精度放在机器人上,精度来自结构,因为它逐渐成形。这不同于所有其它机器人。它只需要知道下一步在哪里。”

格申费尔德教授说,在组装零件时,每个微型机器人都可以算出其在结构上的台阶数。他说,除了导航之外,这还使机器人可以在每个步骤中纠正错误,从而消除了传统机器人系统的大部分复杂性。他说:“它缺少了大多数常用的控制系统,但是只要不遗漏任何步骤,它就知道它在哪里。”对于实际的装配应用,由于这些组件的大量出现,它们可以一起工作以加快过程。 科学家还开发的控制软件,可以使机器人协调工作并避免互相干扰。

这种使用简单的机器人系统、由相同子单元组装大型结构的方法,就像小孩子从乐高积木中组装大型城堡一样,已经引起了一些潜在用户的兴趣,包括美国宇航局,空中客车公司赞助了这项研究。

这种组装机器人的一个优点可以通过与初始组装相同的机器人工艺轻松地进行维修。损坏的部分可以从结构上拆卸下来,并用新的部分替换,从而产生与原始结构一样坚固的结构。格申费尔德教授说:“拆建与建造同等重要。”随着时间的流逝,这一设计还可用于对系统进行修改或改进。对于空间站或月球栖息地,这些机器人将居住在结构上,不断对其进行维护和修理。

格申费尔德教授认为,最终,这种系统可以用来建造整个建筑物,特别是在太空,月球或火星等困难环境中。它可以消除从地面一直运送大型预组装结构的需要。取而代之的是,可以发送大批微小的子单元,或使用可以在最终目的地,利用当地材料将这些子单元制造出来的系统。

德国不伦瑞克工业大学操作系统和计算机网络研究所所长桑德尔·费克特(Sandor Fekete)说:“诸如此类的超轻数字材料为构建高效,复杂的系统提供了令人惊叹的方法。大型结构在航空航天应用中至关重要。”

但费克特认为,组装这样的系统是一个挑战,他计划加入麻省理工学院的研究团队,以进一步开发控制系统。

费克特说:“这是使用小型和简单的机器人有望带来下一个突破的地方:机器人不会感到疲劳或无聊,而使用许多微型机器人似乎是完成这一关键任务的唯一方法。杰内特的团队所做的这项极其原始而巧妙的工作,使人们朝着动态调节飞机机翼,制造巨大的太阳帆乃至可重构太空栖息地迈出了一大步。”

格申费尔德教授表示:“在此过程中,我们觉得自己正在探索混合材料机器人系统的新领域。”

机器人 人工智能 系统
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