突破！MIT通過簡單的機器人系統可批量相同小部件組裝出整架飛機

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導讀

如果你能製造出一架大型噴氣式飛機，那麼你就可以建造一座大樓。美國麻省理工學院研製出微型組裝機器人“BILL-E”，只要通過簡單的機器人系統，就能用批量相同的小部件組裝出機翼、整架飛機，甚至整座建築物。

就像孩子用小塊的樂高積木組裝出大型城堡、飛機模型一樣，科研人員試圖用一群微型機器人組建出真正的商務飛機、橋樑，甚至是整個建築。

當最終組裝變成了唯一組裝

通常我們乘坐的商用飛機都是分節制造的，由工廠a生產機翼、工廠b生產機身部分、工廠c生產尾翼部件……然後這些小部件會被送進大型貨運飛機空運到中央工廠進行最終組裝。

那麼如果，整架飛機是由大量相同的小部件組成，而這些小部件又全部由一群微型機器人組裝而成呢？環節將被簡化，最終的組裝將成為唯一的組裝。這正是麻省理工學院最近研究的機器人項目。如今，這類機器人的原型版本已經可以組裝小型結構，甚至可以作為一個團隊一起構建更大的組件。

圖注：一組四個裝配機器人正在建造一個三維結構。整群這樣的機器人可以被用來創造大型結構，如飛機機翼或太空基地。

目前，相關論文已經發表在10月份的《IEEE機器人與自動化》上，由傑奈特（Jenett）、格申菲爾德（Gershenfeld）、研究生阿梅拉·阿卜杜勒-拉赫曼（Amira Abdel-Rahman）和CBA校友肯尼斯·張（Kenneth Cheung SM '07）博士共同撰寫。肯尼斯·張博士在NASA的艾姆斯研究中心工作，在那裡他領導了ARMADAS項目，設計可以用機器人組裝建造的月球基地。

休斯敦大學電子與計算機工程副教授亞倫·貝克爾(Aaron Becker)稱這項研究結合了頂尖的機械設計、令人瞠目結舌的演示、新的機器人硬件和一個包含超過10萬個元素的模擬套件。

新型機器人裝配系統的運作

“研究的核心是一種新型的機器人技術，我們稱之為相對機器人。”格申菲爾德教授說。他解釋稱，在歷史上，機器人技術分兩大類：一類是由昂貴的定製組件製成，這些組件針對諸如工廠組裝之類的特殊應用進行了精心優化；另一類是由廉價的批量生產的模塊製成，性能要低得多。

格申菲爾德教授認為，關鍵的區別在於機器人設備與其處理和操作的材料之間的關係。新型機器人在應用中無法從結構中分離出來，它們可以作為一個系統協同工作。

舉個例子來說，雖然大多數移動機器人需要高度精確的導航系統來跟蹤它們的位置，但新的裝配機器人只需要跟蹤它們相對於當前正在工作的被稱為體素的小型子單元的位置。每當機器人邁出一步進入下一個體素時，它都會根據當前所在的特定組件重新調整自己的位置感。

實際上幾乎任何物理對象都可以被重建為更小的三維碎片或體素。而這些三維碎片和體素可以自己製作簡單的支柱和節點。研究小組已經證明，這些簡單的組建可以有效地分配負載。它們主要由開放空間組成，因此結構的總重量最小。可以通過簡單的組裝器將這些單元拾取並放置在相鄰的位置，然後使用內置於每個體素中的鎖存系統將它們固定在一起。

圖注：兩個原型裝配機器人正在工作，將一系列稱為體素的小單元組裝成一個更大的結構。

機器人本身就像一個小手臂，中間有兩個鉸鏈連接的長段，每個末端都有用於夾持在體素結構上的裝置。這些簡單的裝置像尺蠖一樣四處移動，通過反覆打開和關閉V形身體來從一個移動到下一個，沿著一排體素前進。傑奈特將這種小機器人命名為“BILL-E”（向電影《機器人瓦力》致敬），意思是兩足各向同性晶格移動探測器。

圖注：機器人瓦力

傑奈特已經構建了幾個版本的彙編器作為概念驗證設計，以及具有鎖定機制的相應體素設計，可以輕鬆地將每個體素與其相鄰體素連接或分離。他用這些原型演示瞭如何將積木組裝成線性、二維和三維結構。“我們並沒有在機器人中增加精度，精度來自結構，”傑奈特說：“這不同於其他所有機器人。它只需要知道下一步該怎麼做。”

在組裝部件的過程中，每個微型機器人都可以在結構上計算步數。除了導航，這還可以讓機器人糾正每一步的錯誤，從而消除了典型機器人系統的複雜性。它沒有大多數常規的控制系統，但只要它按照步驟來，就可以明確位置。在實際的裝配應用中，由於阿卜杜勒-拉赫曼開發的控制軟件可以讓機器人加速，批量的這種部件可以一起工作來加快進程。

機器人系統新領域

這種裝配系統的一個優點是可以通過組裝與初始相同的機器人工藝輕鬆地進行維修。損壞的部分可以從結構上拆卸下來，並用新的部分替換，從而形成和原來一樣堅固的結構。隨著時間的流逝，該過程還可用於對系統進行修改或改進。

圖注：一個裝配機器人正在工作，將一個結構單元從一個正在施工的結構的頂部向下運送。

格申菲爾德稱，最終，這種系統可以用來建造整個建築，特別是在太空、月球或火星等極端環境中。這可以有效減少從地球運送大型預組裝結構的需要。取而代之的是，發送批量的微小部件，或者使用能夠在最終目的地製造出這些小部件的系統，從當地材料中製造它們。

這種利用簡單機器人系統把相同的子單元組裝成大型結構的方式，已經吸引了一些潛在用戶的興趣，包括美國宇航局、麻省理工學院在這項研究上的合作者，以及歐洲航空航天公司空中客車公司（Airbus SE）也幫助贊助了這項研究。

德國布倫瑞克工業大學操作系統和計算機網絡研究所所長桑德爾·費凱特（Sandor Fekete）沒有參與這項工作，但他對這項研究表示了肯定：“諸如此類的超輕數字材料為構建高效、複雜、大規模的系統提供了令人驚奇的視角，在航空航天應用中至關重要。”

但裝配這樣的系統仍是一個挑戰，費凱特說，他計劃加入研究團隊，進一步開發控制系統。“這是使用小型簡單機器人有望帶來下一個突破的地方：機器人不會感到疲勞或無聊，而使用許多微型機器人似乎是完成這項關鍵任務的唯一方法。傑奈特和他的合作者們的這項極具獨創性和智慧的工作，向建造可動態調節飛機機翼、巨大的太陽帆甚至重構太空基地的建設邁出了巨大一步。”

格申菲爾德教授感嘆，在研究過程中，我們感到自己正在探索混合材料機器人系統的新領域。