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MIT团队仅用5种零件组装微型机器人,还可通过“变形”实现不同功能

近日,Gershenfeld 团队在一场国际机器人会议上展示了他们最新的研究成果:一套由 5 种微小基础零件组成的微型“行走”驱动器,它还可以组装成各种不同功能的机器。它也可以在平面上来回移动,或者用来转动机器的齿轮。

作者:杨大可来源:麻省理工科技评论APP|2019-07-12 09:01

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 Neil Gershenfeld (来源:MIT Industrial Liaison Program )

“既然世界上所有的生物都是由 20 种氨基酸组合而成,那么,是不是有可能创造出一套仅由 20 种基础零件组成的工具包,可以组装出世界上所有不同的技术产品呢?”多年前,在麻省理工学院教授 Neil Gershenfeld 得知使他感到震惊的“生命真谛”的同时,他也萌生了这样一个大胆的想法。

从那以后,Gershenfeld 和他的学生们便一直在为实现这个设想而努力,他们的研究进展也稳步向前。近日,Gershenfeld 团队在一场国际机器人会议上展示了他们***的研究成果:一套由 5 种微小基础零件组成的微型“行走”驱动器,它还可以组装成各种不同功能的机器。它也可以在平面上来回移动,或者用来转动机器的齿轮。

这项研究或给目前的机器人设计与制造体系带来极大变革。它的潜力在于可以进行多种搭配,组合成不同形态的机器人组件;同时还便于拆卸重组,从医疗机器人一分钟内可能就转变为工业机器人,再用一分钟还能变成救灾机器人。

“在微型机器人领域,标准化是一个极其重要的问题。”德国奥尔登堡大学微型机器人和控制工程中心主任 Sergej Fatikow 评价道,“这项新工作解决了用一小组标准构件组装复杂的微型机器人系统的问题,这很可能会给微型机器人领域带来革命性的变化,并在小尺度领域开启大量应用。”


正在“行走”的驱动器 (来源:Will Langford)

在此之前,Gershenfeld 团队展示了多种由这些微小基础零件组成的、拥有不同力学性能的结构。接下来,他们还演示了一种使用刚性和柔性两种类型零件创建“变形机翼”的组合方法,这是一个航空航天工程领域里的长期目标。

这项***的工作为实现该目标的运动逻辑添加了新零件,该研究在芬兰赫尔辛基举办的小规模操控、自动化和机器人国际会议 (MARSS)上发布,论文由 Gershenfeld 和 MIT 研究生 Will Langford 共同撰写。

基础零件创新

如今的机器人,不论从设计还是制造的角度衡量,可能都是比较昂贵、不够灵活且耗费时间的。通常需要集成各种各样的零部件,每种零部件的使用与制备也都是相对独立的。这些问题都会制约新型机器人的开发及其灵活性的进步。

突破上述瓶颈的一种方法是使用模块化和可重构的组件。模块化机器人系统集成了包括驱动、通信和控制在内的多种组成模块,可以针对特定任务进行不同的配置,同时便于重新配置。虽然这种方法体现了模块化的通用性,但其独立模块的构造和集成往往也比较复杂,涉及多种嵌入式功能的密集集成,并且批量生产的成本也相对较高。

而 Gershenfeld 团队的这项研究,提供了一种可替代目前制造机器人的方法,适用于之前两种不同的设计理念:工作性能优秀,但相对价格昂贵且不灵活的定制机器人;以及牺牲部分性能,从而实现通用性的可重构机器人。在新的方法中,Langford 提出了这套毫米级的基础零件,包括之前提到的刚性和柔性材料零件,以及电磁零件、线圈和磁铁等,所有零件都可以通过一个标准连接器相互连接,从而组成需要的机械结构。

由 5 个基础零件组成的“行走”驱动器概览:(A)格架分解为平面零件。首先将节点零件(4) 组装成节点(2),节点(2) 随后与刚性框架(5) 连接形成并联结构(3)。(B)配置好的、可直线运动的单层行走马达。(C)构成驱动器的 5 种基础零件——节点零件(4)、刚性框架(5)、双铰链框架(6)、磁芯(7)、音圈(8)    (来源:A Discretely Assembled Walking Motor)

在未来,Gershenfeld 团队计划采用更小的基础零件来实现这些功能。

乐高式“微型设计”

Langford 使用这套简单的微型零件组合,组装出了一种好似科幻小说中描述的、能以独立的机械步骤移动附属件的新型驱动器。

这种新型驱动器的应用场景非常广泛,可用于转动齿轮,而且转动的方式极为特别——好像一个人在齿轮的表面上走动。与此同时,根据不同任务的需要,这些零件也可以组装成用于抓握的机械手或用于行走的机械腿,然后随着具体需求的变化进而重新组装。

Gershenfeld 习惯将这些可以重复拼接使用的独立零件叫作“digital materials(数字材料)”,认为他们团队就像在玩一种有着机械功能的“Micro-LEGO(微型乐高)”。


正在转动齿轮的新型驱动器 (来源:Will Langford)

这种新的设计方法为创造一个标准化的零件套件迈出了重要一步。通过几种基础零件的搭配,它可以针对各种不同的任务需求装配出拥有特定能力的机器人。然后,还可以根据后续的需求变更进行拆卸并重新组装,从此不再需要为每个应用程序从头设计和制造新的机器人。

Langford 初始设计的驱动器拥有蚂蚁般的能力,能够举起自身重量 7 倍的物体。但是,如果需要机器人提供更大的力量,就需要增加更多的基础零件数量。或者,如果想让机器人以更复杂的方式移动,这些基础零件可以分散地安装在整个结构中,从而得到不同的运动方式。

除此之外,为匹配不同的应用,还可以在构建机器结构的零件尺寸上进行选择。目前,Gershenfeld 团队已经制造出了纳米尺寸的零件来制造纳米机器人,同时还制造了米级的零件来制造大型机器人。而在此之前,制造每种极限尺寸的机器人都需要专门的技术才可以完成。

未来可用于多场景

“一种新兴的应用是用来制造可以在有限的工作空间内作业的微型机器人。”Gershenfeld 说道,“虽然我们将开发重点放在毫米级,但是其他应用领域也可以通过扩展零件来实现。例如,使用更精密尺寸的零件进行装配,即可用在可消化的医疗机器人和灵活的显微外科工具等应用场景。”

为了给新型结构加入“大脑”,Langford 还会在基础零件中增加各种集成电路零件和一些其他零部件,以便组装出的机器人能在三维空间中更好地连接信号。同时,这套基础零件的结构既简单又有规律性,所以其自动化生产过程相对容易。

为制造这套基础零件,Langford 发明了一台新颖的机器,类似于 3D 打印机和制造电子电路的元件择嵌机(pick-and-place machine)的结合体。但与两者不同的是,这台机器可以直接根据数字设计而生产完整的机器人系统

Gershenfeld 表示,“目前这台机器是朝着最终目标迈出的***步,这个项目的最终目标是要制造出一台在生产装配零件的同时,能够自我组装的组装机器。”

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