太空探索神器模塊化自重構(gòu)微型機(jī)器人

張晨

如果想將一大批機(jī)器人送入太空，那么將面臨2種選擇：一是選擇全尺寸的、形態(tài)各異的機(jī)器人，二是選擇微型模塊化機(jī)器人。顯然，后者是更優(yōu)選。如電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中大反派所使用的微型磁力機(jī)器人就是一種模塊化機(jī)器人，它們?cè)谧越M裝和重構(gòu)方面的能力尤有前景。

30多年來，機(jī)器人專家一直在追求模塊化的自重構(gòu)機(jī)器人這一愿景。這種機(jī)器人在適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和魯棒性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋太空探索、可重構(gòu)環(huán)境、搜索救援以及形變的用戶界面。然而，盡管人們雄心勃勃地希望實(shí)現(xiàn)快速、可靠的部署，將模塊化機(jī)器人擴(kuò)展到這些重要領(lǐng)域，但迄今為止制造出來的模塊化機(jī)器人仍面臨著可擴(kuò)展性較差的巨大挑戰(zhàn)。

大量體積龐大、復(fù)雜且昂貴的機(jī)械部件不免顯得笨拙，阻礙了其小型化和可擴(kuò)展性的發(fā)展。尤其是在太空探索中，在軌道上建造物體頗具挑戰(zhàn)性，很可能投入和產(chǎn)出不成正比。再者，宇航員在國(guó)際空間站的生活環(huán)境非常狹窄，不得不將空間站的家具像俄羅斯方塊一樣以最佳朝向緊湊放置，因此小型化技術(shù)非常重要，它可以為宇航員提供更多的機(jī)動(dòng)空間，也可降低火箭有效載荷成本。因此，我們迫切需要在數(shù)量上和尺寸上都更具可擴(kuò)展性的架構(gòu)。

近日，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的一項(xiàng)研究利用電磁解決了可重構(gòu)機(jī)器人在造價(jià)和尺寸方面的問題。

研究團(tuán)隊(duì)從電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中汲取部分靈感，創(chuàng)造了一種可以通過排列組合組裝成復(fù)雜形狀的立方體形機(jī)器人。他們將小型、易于制造且價(jià)格低廉的電磁鐵嵌入立方體的邊緣，而非將笨重昂貴的執(zhí)行器塞進(jìn)單個(gè)模塊中。這些電磁體之間的相互排斥和吸引作用，使得機(jī)器人能夠彼此旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，并迅速改變形狀。

這種立方體機(jī)器人被命名為ElectroVoxels，單個(gè)邊長(zhǎng)約為60 mm，磁鐵由用銅線包裹的鐵氧體磁芯（它們看起來像黑色的小管子）組成。每個(gè)立方體內(nèi)部都有微型印刷電路板和電子器件，能將電流輸送到正確方向的電磁鐵上。制作一個(gè)立方體只需一個(gè)多小時(shí)，總成本僅為60美分。

傳統(tǒng)鉸鏈需要在2個(gè)元件之間進(jìn)行機(jī)械連接，而ElectroVoxels與此不同，它是完全無(wú)線的，不需要專門的物理機(jī)制，可以在任何電磁鐵對(duì)之間動(dòng)態(tài)地形成，這使得大型系統(tǒng)的維護(hù)和制造變得更加容易。

ElectroVoxels是一種可使用電磁體進(jìn)行重構(gòu)的機(jī)器人立方體，它不需要電機(jī)或推進(jìn)劑來移動(dòng)，并且可以在微重力環(huán)境下運(yùn)行。

那么這樣一堆模塊是如何交互的呢？為了更好地可視化，科學(xué)家們使用了一種軟件規(guī)劃器來對(duì)重構(gòu)這一過程進(jìn)行可視化并計(jì)算底層的電磁分配。用戶只需要點(diǎn)擊幾下，即可操作多達(dá)1 000個(gè)立方體，或者使用預(yù)定義的腳本來對(duì)多個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行編碼。這樣一種系統(tǒng)可以讓用戶在合理范圍內(nèi)隨心玩轉(zhuǎn)模塊，比如可以改變速度、突顯磁鐵以及將必要的動(dòng)作顯示出來以避免碰撞。還可以如魔術(shù)師一般變換模塊的形狀，讓它們能夠在某一時(shí)刻呈現(xiàn)為一把椅子，隨即又變?yōu)橐粡埳嘲l(fā)。

這些成本廉價(jià)的小模塊尤其適合微重力環(huán)境。因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，任何想要發(fā)射到軌道上的結(jié)構(gòu)都需要安裝在火箭。在氣浮臺(tái)上進(jìn)行初步測(cè)試后，研究者進(jìn)行了微重力飛行測(cè)試，借助更好的空間探索工具，例如無(wú)推進(jìn)劑重構(gòu)或改變航天器慣性特征，ElextroVoxels發(fā)現(xiàn)了真正的失重狀態(tài)。

無(wú)推進(jìn)劑驅(qū)動(dòng)的好處在于，無(wú)需再為重構(gòu)發(fā)射額外的燃料，從而解決了發(fā)射質(zhì)量和體積方面的許多挑戰(zhàn)。據(jù)此，我們可以期待這種可重構(gòu)方法能夠協(xié)助未來各種各樣的太空探索工作，比如在多次發(fā)射中增強(qiáng)和替換空間結(jié)構(gòu)，利用臨時(shí)結(jié)構(gòu)來協(xié)助航天器檢查和航天員工作，以及運(yùn)用未來迭代出的立方體作為自分揀存儲(chǔ)容器。

歐洲航天局高級(jí)概念團(tuán)隊(duì)（ACT）負(fù)責(zé)人Dario Izzo談道：“ElectroVoxels展示了如何設(shè)計(jì)一個(gè)完全可重構(gòu)的系統(tǒng)，并給科學(xué)界提出了一個(gè)需要解決的挑戰(zhàn)，即如何在太空軌道上擁有一個(gè)功能齊全的模塊化機(jī)器人系統(tǒng)。這項(xiàng)研究示范了電磁驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)立方體在建造、操作和維護(hù)方面的便捷性，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈活、模塊化且可重構(gòu)的系統(tǒng)，這在未來探索任務(wù)中會(huì)給智能組件的設(shè)計(jì)帶來靈感。”

就像俄羅斯方塊一樣，立方塊要想移動(dòng)，就必須遵循一個(gè)序列。一個(gè)極化序列（polarization sequence）包含3個(gè)步驟：發(fā)射、移動(dòng)、捕捉，每個(gè)階段都分別有一個(gè)行進(jìn)的立方體（用于移動(dòng)）、一個(gè)起點(diǎn)（立方體進(jìn)行發(fā)射的地方）和一個(gè)目的地（捕獲行進(jìn)的立方體）。該軟件的用戶可以指定哪一個(gè)立方體在哪一方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而算法會(huì)自動(dòng)計(jì)算出所需的電磁分配的順序和地址（排斥、吸引或關(guān)閉）。

在未來，模塊化機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景將從太空轉(zhuǎn)向地面。這將需要對(duì)電磁鐵進(jìn)行更詳細(xì)的建模和優(yōu)化，以便在地球的重力環(huán)境中進(jìn)行重新配置。ElectroVoxels仍存有不足之處，如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所助理教授Zachary Manchester指出的（他沒有參與這項(xiàng)研究），它在零重力環(huán)境之外會(huì)不起作用，盡管ElectroVoxels已經(jīng)在拋物線飛行的測(cè)試中表明可以模擬微重力。但它們?cè)诘孛嫔虾茈y聚集足夠的力進(jìn)行回旋。

研究團(tuán)隊(duì)希望能夠使立方體足夠堅(jiān)固以抵抗地球引力，如此，這些機(jī)器人將會(huì)緩解外太空的不利生活條件，允許人們?cè)诘孛嫔辖⒋笠?guī)模、可重構(gòu)的操作。該研究論文的主要作者、麻省理工學(xué)院的博士生Martin Nisser表示：“在建造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，肯定不希望受到組裝人員的可用性和專業(yè)知識(shí)、運(yùn)輸工具的大小以及組裝場(chǎng)地的環(huán)境條件不利的限制。雖然相關(guān)公理在地球上是成立的，但在太空中建造東西時(shí)會(huì)變得異常復(fù)雜。

如果能用簡(jiǎn)單、同質(zhì)的模塊來組裝結(jié)構(gòu)，那么就可以消除很多類似問題。因此，盡管太空環(huán)境具有顯著的潛在好處，但矛盾的是，微重力提供的有利動(dòng)力使得其中一些問題實(shí)際上也更容易解決———在太空中，即使是微小的力也能讓讓大的物體進(jìn)行移動(dòng)。通過應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)來解決太空中的短期實(shí)際問題，我們有望孵化出未來在地面上也可使用的技術(shù)。”

ElectroVoxels并非一個(gè)單一用途的機(jī)器人，小型的模塊可以組合在一起，構(gòu)建具有各種功能和類型的結(jié)構(gòu)。體積雖小，卻可在太空探索方面發(fā)揮相當(dāng)大的作用。