太空探索神器模塊化自重構(gòu)微型機器人

張晨

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

30多年來，機器人專家一直在追求模塊化的自重構(gòu)機器人這一愿景。這種機器人在適應(yīng)性、可擴展性和魯棒性方面具有顯著優(yōu)勢，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現(xiàn)快速、可靠的部署，將模塊化機器人擴展到這些重要領(lǐng)域，但迄今為止制造出來的模塊化機器人仍面臨著可擴展性較差的巨大挑戰(zhàn)。

大量體積龐大、復(fù)雜且昂貴的機械部件不免顯得笨拙，阻礙了其小型化和可擴展性的發(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動空間，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展性的架構(gòu)。

近日，麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室（CSAIL）的一項研究利用電磁解決了可重構(gòu)機器人在造價和尺寸方面的問題。

研究團隊從電影《超能陸戰(zhàn)隊》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器人。他們將小型、易于制造且價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)行器塞進單個模塊中。這些電磁體之間的相互排斥和吸引作用，使得機器人能夠彼此旋轉(zhuǎn)和移動，并迅速改變形狀。

這種立方體機器人被命名為ElectroVoxels，單個邊長約為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。制作一個立方體只需一個多小時，總成本僅為60美分。

傳統(tǒng)鉸鏈需要在2個元件之間進行機械連接，而ElectroVoxels與此不同，它是完全無線的，不需要專門的物理機制，可以在任何電磁鐵對之間動態(tài)地形成，這使得大型系統(tǒng)的維護和制造變得更加容易。

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

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)劃器來對重構(gòu)這一過程進行可視化并計算底層的電磁分配。用戶只需要點擊幾下，即可操作多達1 000個立方體，或者使用預(yù)定義的腳本來對多個連續(xù)旋轉(zhuǎn)進行編碼。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)。

這些成本廉價的小模塊尤其適合微重力環(huán)境。因為在這種環(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。在氣浮臺上進行初步測試后，研究者進行了微重力飛行測試，借助更好的空間探索工具，例如無推進劑重構(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)。

無推進劑驅(qū)動的好處在于，無需再為重構(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)射中增強和替換空間結(jié)構(gòu)，利用臨時結(jié)構(gòu)來協(xié)助航天器檢查和航天員工作，以及運用未來迭代出的立方體作為自分揀存儲容器。

歐洲航天局高級概念團隊（ACT）負責(zé)人Dario Izzo談道：“ElectroVoxels展示了如何設(shè)計一個完全可重構(gòu)的系統(tǒng)，并給科學(xué)界提出了一個需要解決的挑戰(zhàn)，即如何在太空軌道上擁有一個功能齊全的模塊化機器人系統(tǒng)。這項研究示范了電磁驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)立方體在建造、操作和維護方面的便捷性，實現(xiàn)了一個靈活、模塊化且可重構(gòu)的系統(tǒng)，這在未來探索任務(wù)中會給智能組件的設(shè)計帶來靈感?！?/p>

就像俄羅斯方塊一樣，立方塊要想移動，就必須遵循一個序列。一個極化序列（polarization sequence）包含3個步驟：發(fā)射、移動、捕捉，每個階段都分別有一個行進的立方體（用于移動）、一個起點（立方體進行發(fā)射的地方）和一個目的地（捕獲行進的立方體）。該軟件的用戶可以指定哪一個立方體在哪一方向上進行旋轉(zhuǎn)，而算法會自動計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，模塊化機器人的應(yīng)用場景將從太空轉(zhuǎn)向地面。這將需要對電磁鐵進行更詳細的建模和優(yōu)化，以便在地球的重力環(huán)境中進行重新配置。ElectroVoxels仍存有不足之處，如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人研究所助理教授Zachary Manchester指出的（他沒有參與這項研究），它在零重力環(huán)境之外會不起作用，盡管ElectroVoxels已經(jīng)在拋物線飛行的測試中表明可以模擬微重力。但它們在地面上很難聚集足夠的力進行回旋。

研究團隊希望能夠使立方體足夠堅固以抵抗地球引力，如此，這些機器人將會緩解外太空的不利生活條件，允許人們在地面上建立大規(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，肯定不希望受到組裝人員的可用性和專業(yè)知識、運輸工具的大小以及組裝場地的環(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會變得異常復(fù)雜。

如果能用簡單、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力使得其中一些問題實際上也更容易解決———在太空中，即使是微小的力也能讓讓大的物體進行移動。通過應(yīng)用這項技術(shù)來解決太空中的短期實際問題，我們有望孵化出未來在地面上也可使用的技術(shù)。”

ElectroVoxels并非一個單一用途的機器人，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。