美國科學家用冰造了輛機器車,自己的輪子自己修,要上火星赴南極!

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 16 日 0:00 | 分類 尖端科技 , 材料、設備 , 機器人 Telegram share ! follow us in feedly


冰這種自然界平平無奇的物質,可能會推動技術的變革!美國賓夕法尼亞大學 GRASP 實驗室的科學家也在嘗試用冰製作行動機器人,未來將登上火星、奔赴南極,在各種極端條件下發揮效用。

就長下面這樣,貌似有點小學生興趣小組作品展示的既視感?

(Source:影片截圖)

用冰造一個火星車,可靠嗎?

在去年 10 月召開的機器人與智慧系統領域國際旗艦會議 2020 年 IEEE/RSJ 智慧機器人與系統國際會議(IROS 2020)上,與上述研究相關的論文被收錄,這一論文題為《Robots Made From Ice: An Analysis of Manufacturing Techniques(冰制機器人:製造技術分析)》。

值得關注的是,兩位來自 GRASP 實驗室的作者 Devin Carroll 和 Mark Yim 在論文中強調,這仍是非常初步的工作,他們才剛剛開始探索用冰做機器人的想法。

顯然,用冰製造致動器、電池或其他電子元件聽著就不太可能,再者,冰永遠都不會像鈦、碳纖維等結構材料那樣高效。但冰也有著顯著特點——一方面,它在自然界中很常見;另一方面,冰有著獨特的切割、雕刻和融合等改造方式。

我們不禁要問,用冰製作機器人,還要派它去探索行星或南極,就只是憑著冰有上述特性,這理由能站得住腳嗎?

具有自我修復或自我複製能力的模塊化機器人系統,已成為一種強大的、低成本的外星或北極探索解決方案,但反觀目前的一些行星探索機器人,確實也是存在著不足,IEEE(美國電氣電子工程師學會)旗艦出版物 IEEE Spectrum 的文章中寫道:

不管 NASA 的科學家們為他們的行星探索機器人做了多少重大突破,行星探索機器人最終可能都繞不開一個問題:出現故障、甚至崩潰。

很難想像,在火星上,火星車的輪子出了問題,探測任務是否還能順利進行?

而在 IEEE Spectrum 看來,更關鍵的一個問題是,怎麼在極端環境下找到資源,保證機器人的正常運作。這一問題,科學家和工程師們提出的方案是:利用太陽能等能源支撐探測器的運行,畢竟太陽能是比較常見的。

可能有人會問,零組件壞了,可能有太陽能也沒轍,怎麼辦?

這個問題 Devin Carroll 和 Mark Yim 也想到了,所以他們的想法是,不僅用冰製造機器人,關鍵時刻機器人還能隨地取冰用冰,自造部件。

兩位科學家的腦洞如何實現?

聽著有點玄,兩位科學家具體是怎麼做的?

據了解,他們希望開發出一種可展示「自我重構、自我複製和自我修復」的機器人概念,他們的設想是,機器人主要是在極端環境下工作,這個環境足夠冷、結冰穩定,機器人因操作而產生的熱量不會導致融化甚至短路,造成不便。

兩位科學家探討了用冰製造機器人結構部件的不同方法,涵蓋了「增材」(additive)和「減材」(subtractive)兩種製造工藝。據 IEEE Spectrum 報導,相比塑模、3D 打印、數控加工等方式,科學家們認為最節能有效的方式應該是切冰(即便有的時候需要冰塊融合重塑)。

(Source:影片截圖,下同)

Devin Carroll 還在 Youtube 上公開了配方:機器人=電動機+底座+冰塊制的各個部件。

經過這種似乎有點簡單粗暴的方式,人稱 IceBot 的南極探險機器人概念版就問世了,據說重 6.3 公斤。

看到這裡,估計不少人心裡都嘀咕著一句「就這」,別急,我們再來看看這款機器人的實際效果。

小車車上斜坡還挺平穩,也能推開前方的垃圾保持不倒。

值得注意的是,小車車只是一個雛形,將來進行科考時一定不會是這樣的畫風。現階段,研究人員基本上只證明了 IceBot 的兩點功能:一是可移動、二是在室溫下也不會很快裂開。自然,在 IceBot 實現自我重組、自我複製和自我修復的能力之前,兩位科學家還有很多工作要做。

後續能做些什麼?

可能會有人覺得這項研究不太可行,但作為出自美國賓夕法尼亞大學 GRASP 實驗室的作品,還是值得期待的。

無疑,賓夕法尼亞大學在機器人研究領域根基深厚。

1961 年,美國賓夕法尼亞大學工程院院長 Vijay Kumar 說服通用汽車安裝了第一台處理鋼錠的機器人,工業機器人由此誕生。

1980 年代,機器人領域的一大突破便是,機器人通過「腿」或輪子,擁有了移動的能力——這一成就正是源於賓夕法尼亞大學 GRASP 實驗室。

1979 年,電腦科學與工程領域傑出女性、賓夕法尼亞大學前電腦科學與工程教授兼主席 Ruzena Bajcsy 建立了 GRASP 實驗室,其全稱是 General Robotics, Automation, Sensing and Perception Laboratory(通用機器人、自動化、傳感和感知實驗室)。

▲ 1984 年的 Ruzena Bajcsy(最中間的女性)和實驗室成員。(Source:GRASP Lab

該實驗室是賓夕法尼亞大學工程和應用科學學院的跨學科學術和研究中心,也是一個領先的機器人孵化器,專注於視覺、感知、控制系統、自動化和機器學習等領域的基礎研究。

而此論文的兩位作者也值得我們關注,其一是 Devin Carroll 博士,其二則是 Mark Yim

根據實驗室官網信息,Mark Yim 擔任著實驗室主任一職,其研究興趣始於模塊化機器人,除了自我重新配置和自我組裝機器人,他也在研究飛行機器人及相關任務規範。

最近,就上述研究,IEEE Spectrum 簡單採訪了 Devin Carroll 博士。Devin Carroll 博士提到,他曾設計過一款幫助生態學家調查森林的有軌電車機器人,發現所面臨的挑戰不僅是成本——隨著時間的推移,自然元素會破壞這類機器人,因此兩位科學家開始了用現有材料建造機器人的嘗試,最終他們選擇了冰。

就未來而言,在機械臂/末端執行器設計方面,他們正在探索的一個想法是:利用電阻絲網局部融化冰塊表面,在打算將冰加工成所需的幾何形狀時,在它和機械臂之間建立臨時連接。

短期內的研究重點在於,設計一個模塊化關節,保證更容易、安全地連接驅動器和冰,並且嘗試利用螺絲孔等連接方法,確保冰塊形狀不變。

未來這款小車車將有何突破,我們拭目以待。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:GRASP Lab

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