装配机器人组具有制造更大结构的潜力

机器人的见解

• 人们正在努力使机器人群能够组装更大的结构，如建筑物，甚至机器人。
• 开发这种系统需要将智能内置到机器人本身，这样它们才能作为一个团队很好地运作。人工智能(AI)和机器学习(ML)将在这一演变中发挥关键作用。

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麻省理工学院(MIT)的研究人员已经在创造机器人方面取得了重大进展，这些机器人可以实际且经济地组装几乎任何东西，包括比自己大得多的东西，从车辆到建筑物再到更大的机器人。

麻省理工学院比特与原子中心(CBA)的这项工作建立在多年研究的基础上，包括最近的研究表明，像可变形的飞机机翼和功能性赛车这样的物体可以由相同的微小轻质部件组装而成，并且可以建造机器人设备来执行其中的一些组装工作。现在，该团队已经证明，组装机器人和正在建造的结构组件都可以由相同的子单元组成，并且机器人可以大量独立移动，以快速完成大规模组装。

这项新研究发表在《自然通信工程》杂志上纸由CBA博士生Amira Abdel-Rahman、CBA教授兼总监Neil Gershenfeld以及其他三人共同完成。

Gershenfeld说，完全自主的自我复制机器人装配系统，既能组装更大的结构，包括更大的机器人，又能规划最佳的施工顺序，还需要几年的时间。但这项新工作在实现这一目标方面取得了重要进展，包括解决何时制造更多机器人以及制造多大的机器人等复杂任务，以及如何组织不同大小的机器人群，以有效地构建一个结构，而不会相互碰撞。

与之前的实验一样，新系统包含了由一组称为体素(相当于二维像素的体积)的微小相同亚单元构建的大型可用结构。但是，虽然早期的体素是纯粹的机械结构部件，但该团队现在已经开发出了复杂的体素，每个体素都可以将能量和数据从一个单元传递到下一个单元。这可能使建造的结构不仅能承受载荷，还能进行工作，比如提升、移动和操纵材料——包括体素本身

格申菲尔德说:“当我们建造这些结构时，你必须考虑到智能。”虽然早期版本的装配机器人是通过一捆捆电线连接到电源和控制系统上的，但“出现的是结构电子学的想法——制造能够传输能量、数据和力量的体素。”看着运行中的新系统，他指出:“没有电线。这就是结构。”

机器人本身由一串端到端连接的几个体素组成。它们可以利用一端的附着点抓取另一个体素，然后像尺蠖一样移动到所需的位置，在那里体素可以附着在生长的结构上并在那里释放。

Gershenfeld解释说，虽然他的团队成员演示的早期系统原则上可以构建任意大的结构，但当这些结构的尺寸达到与装配机器人的尺寸相关的某一点时，这个过程将变得越来越低效，因为每个机器人必须将每个部件运送到目的地的路径越来越长。在这一点上，有了新系统，机器人可以决定是时候建造一个更大的版本，可以到达更远的距离，减少旅行时间。一个更大的结构可能需要另一个这样的步骤，新的更大的机器人创造更大的结构，而一个结构的部分，包括许多精细的细节，可能需要更多的最小的机器人。

阿卜杜勒-拉赫曼说，在这些机器人设备组装东西的过程中，它们在每一步都面临着选择:“它可以建造一个结构，或者它可以建造另一个同样大小的机器人，或者它可以建造一个更大的机器人。”研究人员一直关注的部分工作是为此类决策创建算法。

她说，“例如，如果你想要构建一个锥形或半球形，你如何开始路径规划，以及如何将这个形状”划分为不同的机器人可以工作的不同区域?他们开发的软件允许人们输入一个形状，并得到一个输出，显示在哪里放置第一个块，以及之后的每个块，基于需要穿越的距离。

Gershenfeld说，关于机器人路线规划的论文已经发表了数千篇。“但在这之后，机器人必须做出决定，建造另一个机器人或不同类型的机器人，这是新的。这真的没有任何先决条件。”

虽然实验系统可以进行组装，并包括电源和数据链路，但在当前版本中，微小子单元之间的连接器不够坚固，无法承受必要的负载。该团队，包括研究生Miana Smith，现在正专注于开发更强大的连接器。

“这些机器人可以行走，也可以放置零件，”格申菲尔德说，“但我们已经接近——但还没有完全达到——其中一个机器人制造出另一个机器人，然后走开的地步。这取决于微调，比如执行器的力和关节的强度。……但它已经走得够远了，这些是通向它的部分。”

最终，这样的系统可能被用来建造各种各样的大型、高价值的结构。格申菲尔德举例说，目前制造飞机的方式涉及大型工厂，这些工厂的龙门架比它们制造的部件大得多，然后“当你制造大型喷气式飞机时，你需要大型喷气式飞机来携带大型喷气式飞机的部件来制造它，”格申菲尔德说。这样一个由微型机器人组装的微小部件组成的系统，“飞机的最终组装是唯一的组装。”

他说，同样，在生产一辆新车时，在第一辆车真正制造出来之前，“你可以花一年的时间在模具上”。新系统将绕过这整个过程。这种潜在的效率是格申菲尔德和他的学生一直与汽车公司、航空公司和美国宇航局密切合作的原因。但即使是技术含量相对较低的建筑行业也可能受益。

虽然人们对3d打印房屋的兴趣越来越大，但如今这些房屋需要与正在建造的房屋一样大或更大的打印机械。同样，这种结构由一群微型机器人组装的潜力可能会带来好处。美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)也对建造海岸防护结构以抵御侵蚀和海平面上升的可能性感兴趣。

休斯顿大学电气与计算机工程副教授Aaron Becker称这篇论文为“本垒打——(提供)一个创新的硬件系统，一种思考扩展蜂群的新方法，以及严格的算法。”他没有参与这项研究。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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