MIT團(tuán)隊僅用5種零件組裝微型機(jī)器人 還可通過“變形”實現(xiàn)不同功能

“既然世界上所有的生物都是由20種氨基酸組合而成，那么，是不是有可能創(chuàng)造出一套僅由 20 種基礎(chǔ)零件組成的工具包，可以組裝出世界上所有不同的技術(shù)產(chǎn)品呢？”多年前，在麻省理工學(xué)院教授 Neil Gershenfeld 得知使他感到震驚的“生命真諦”的同時，他也萌生了這樣一個大膽的想法。

從那以后，Gershenfeld 和他的學(xué)生們便一直在為實現(xiàn)這個設(shè)想而努力，他們的研究進(jìn)展也穩(wěn)步向前。近日，Gershenfeld 團(tuán)隊在一場國際機(jī)器人會議上展示了他們最新的研究成果：一套由 5 種微小基礎(chǔ)零件組成的微型“行走”驅(qū)動器，它還可以組裝成各種不同功能的機(jī)器。它也可以在平面上來回移動，或者用來轉(zhuǎn)動機(jī)器的齒輪。這項研究或給目前的機(jī)器人設(shè)計與制造體系帶來極大變革。它的潛力在于可以進(jìn)行多種搭配，組合成不同形態(tài)的機(jī)器人組件；同時還便于拆卸重組，從醫(yī)療機(jī)器人一分鐘內(nèi)可能就轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">工業(yè)機(jī)器人，再用一分鐘還能變成救災(zāi)機(jī)器人?！霸谖⑿蜋C(jī)器人領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)化是一個極其重要的問題?！钡聡鴬W爾登堡大學(xué)微型機(jī)器人和控制工程中心主任 Sergej Fatikow 評價道，“這項新工作解決了用一小組標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組裝復(fù)雜的微型機(jī)器人系統(tǒng)的問題，這很可能會給微型機(jī)器人領(lǐng)域帶來革命性的變化，并在小尺度領(lǐng)域開啟大量應(yīng)用。”

在此之前，Gershenfeld 團(tuán)隊展示了多種由這些微小基礎(chǔ)零件組成的、擁有不同力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)。接下來，他們還演示了一種使用剛性和柔性兩種類型零件創(chuàng)建“變形機(jī)翼”的組合方法，這是一個航空航天工程領(lǐng)域里的長期目標(biāo)。這項最新的工作為實現(xiàn)該目標(biāo)的運動邏輯添加了新零件，該研究在芬蘭赫爾辛基舉辦的小規(guī)模操控、自動化和機(jī)器人國際會議 （MARSS）上發(fā)布，論文由 Gershenfeld 和 MIT 研究生 Will Langford 共同撰寫。

基礎(chǔ)零件創(chuàng)新

如今的機(jī)器人，不論從設(shè)計還是制造的角度衡量，可能都是比較昂貴、不夠靈活且耗費時間的。通常需要集成各種各樣的零部件，每種零部件的使用與制備也都是相對獨立的。這些問題都會制約新型機(jī)器人的開發(fā)及其靈活性的進(jìn)步。突破上述瓶頸的一種方法是使用模塊化和可重構(gòu)的組件。模塊化機(jī)器人系統(tǒng)集成了包括驅(qū)動、通信和控制在內(nèi)的多種組成模塊，可以針對特定任務(wù)進(jìn)行不同的配置，同時便于重新配置。雖然這種方法體現(xiàn)了模塊化的通用性，但其獨立模塊的構(gòu)造和集成往往也比較復(fù)雜，涉及多種嵌入式功能的密集集成，并且批量生產(chǎn)的成本也相對較高。而 Gershenfeld 團(tuán)隊的這項研究，提供了一種可替代目前制造機(jī)器人的方法，適用于之前兩種不同的設(shè)計理念：工作性能優(yōu)秀，但相對價格昂貴且不靈活的定制機(jī)器人；以及犧牲部分性能，從而實現(xiàn)通用性的可重構(gòu)機(jī)器人。在新的方法中，Langford提出了這套毫米級的基礎(chǔ)零件，包括之前提到的剛性和柔性材料零件，以及電磁零件、線圈和磁鐵等，所有零件都可以通過一個標(biāo)準(zhǔn)連接器相互連接，從而組成需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖 | 由 5 個基礎(chǔ)零件組成的“行走”驅(qū)動器概覽：(A)格架分解為平面零件。首先將節(jié)點零件(4)組裝成節(jié)點(2)，節(jié)點(2)隨后與剛性框架(5)連接形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)(3)。(B)配置好的、可直線運動的單層行走馬達(dá)。(C)構(gòu)成驅(qū)動器的5種基礎(chǔ)零件——節(jié)點零件(4)、剛性框架(5)、雙鉸鏈框架(6)、磁芯(7)、音圈(8) 在未來，Gershenfeld 團(tuán)隊計劃采用更小的基礎(chǔ)零件來實現(xiàn)這些功能。

樂高式“微型設(shè)計”

Langford 使用這套簡單的微型零件組合，組裝出了一種好似科幻小說中描述的、能以獨立的機(jī)械步驟移動附屬件的新型驅(qū)動器。

這種新型驅(qū)動器的應(yīng)用場景非常廣泛，可用于轉(zhuǎn)動齒輪，而且轉(zhuǎn)動的方式極為特別——好像一個人在齒輪的表面上走動。與此同時，根據(jù)不同任務(wù)的需要，這些零件也可以組裝成用于抓握的機(jī)械手或用于行走的機(jī)械腿，然后隨著具體需求的變化進(jìn)而重新組裝。 Gershenfeld習(xí)慣將這些可以重復(fù)拼接使用的獨立零件叫作“digital materials（數(shù)字材料）”，認(rèn)為他們團(tuán)隊就像在玩一種有著機(jī)械功能的“Micro-LEGO（微型樂高）”。

這種新的設(shè)計方法為創(chuàng)造一個標(biāo)準(zhǔn)化的零件套件邁出了重要一步。通過幾種基礎(chǔ)零件的搭配，它可以針對各種不同的任務(wù)需求裝配出擁有特定能力的機(jī)器人。然后，還可以根據(jù)后續(xù)的需求變更進(jìn)行拆卸并重新組裝，從此不再需要為每個應(yīng)用程序從頭設(shè)計和制造新的機(jī)器人。Langford 初始設(shè)計的驅(qū)動器擁有螞蟻般的能力，能夠舉起自身重量7倍的物體。但是，如果需要機(jī)器人提供更大的力量，就需要增加更多的基礎(chǔ)零件數(shù)量?；蛘?，如果想讓機(jī)器人以更復(fù)雜的方式移動，這些基礎(chǔ)零件可以分散地安裝在整個結(jié)構(gòu)中，從而得到不同的運動方式。除此之外，為匹配不同的應(yīng)用，還可以在構(gòu)建機(jī)器結(jié)構(gòu)的零件尺寸上進(jìn)行選擇。目前，Gershenfeld 團(tuán)隊已經(jīng)制造出了納米尺寸的零件來制造納米機(jī)器人，同時還制造了米級的零件來制造大型機(jī)器人。而在此之前，制造每種極限尺寸的機(jī)器人都需要專門的技術(shù)才可以完成。

未來可用于多場景

“一種新興的應(yīng)用是用來制造可以在有限的工作空間內(nèi)作業(yè)的微型機(jī)器人。”Gershenfeld 說道，“雖然我們將開發(fā)重點放在毫米級，但是其他應(yīng)用領(lǐng)域也可以通過擴(kuò)展零件來實現(xiàn)。例如，使用更精密尺寸的零件進(jìn)行裝配，即可用在可消化的醫(yī)療機(jī)器人和靈活的顯微外科工具等應(yīng)用場景。”

為了給新型結(jié)構(gòu)加入“大腦”，Langford 還會在基礎(chǔ)零件中增加各種集成電路零件和一些其他零部件，以便組裝出的機(jī)器人能在三維空間中更好地連接信號。同時，這套基礎(chǔ)零件的結(jié)構(gòu)既簡單又有規(guī)律性，所以其自動化生產(chǎn)過程相對容易。為制造這套基礎(chǔ)零件，Langford 發(fā)明了一臺新穎的機(jī)器，類似于 3D 打印機(jī)和制造電子電路的元件擇嵌機(jī)（pick-and-place machine）的結(jié)合體。但與兩者不同的是，這臺機(jī)器可以直接根據(jù)數(shù)字設(shè)計而生產(chǎn)完整的機(jī)器人系統(tǒng)。Gershenfeld 表示，“目前這臺機(jī)器是朝著最終目標(biāo)邁出的第一步，這個項目的最終目標(biāo)是要制造出一臺在生產(chǎn)裝配零件的同時，能夠自我組裝的組裝機(jī)器。”