自动化系统生成机器人执行器

麻省理工学院研究人员开发的自动化系统设计并3d打印了复杂的机器人部件，称为执行器，根据大量规格进行优化。系统自动完成了人类几乎不可能手工完成的工作。

该系统制造了驱动器——机械控制机器人系统以响应电信号的设备——以不同的角度显示不同的黑白图像。例如，一个驱动器在平放时可以描绘文森特·梵高的肖像。然而，当它被激活时倾斜一个角度，它就会描绘出爱德华·蒙克的名画《呐喊》。研究人员还3d打印了漂浮的睡莲，花瓣上装有驱动器阵列和铰链，这些驱动器和铰链可以对通过导电流体的磁场做出反应。

执行器由三种不同的材料拼接而成，每种材料都有不同的浅或深颜色，以及一种属性——如灵活性和磁化强度——可以根据控制信号控制执行器的角度。软件首先将驱动器设计分解为数百万个三维像素，或“体素”，每个体素都可以用任何材料填充。然后，它运行数百万次模拟，用不同的材料填充不同的体素。最终，它会选择每个体素中每种材料的最佳位置，以两个不同的角度生成两张不同的图像。然后，定制的3d打印机通过将正确的材料一层一层地放入正确的体素中来制造驱动器。

计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)前研究生Subramanian Sundaram说:“我们的最终目标是为任何问题自动找到最优设计，然后使用优化设计的输出来制造它。”“我们从选择印刷材料，到找到最佳设计，再到几乎完全自动化地制造最终产品。”

移动的图像展示了该系统的功能。但是针对外观和功能进行优化的执行器也可以用于机器人的仿生学。例如，其他研究人员正在设计水下机器人皮肤，其驱动器阵列旨在模仿鲨鱼皮肤上的齿形。齿状体集体变形，以减少阻力，更快，更安静的游泳。

Sundaram说:“你可以想象，水下机器人的皮肤表面覆盖着一整组驱动器，这可以有效地优化拖动和旋转等等。”

引导“组合爆炸”

今天的机器人执行器变得越来越复杂。根据应用程序的不同，它们必须根据重量、效率、外观、灵活性、功耗以及各种其他功能和性能指标进行优化。一般来说，专家们会手动计算所有这些参数，以找到最佳设计。

更复杂的是，新的3d打印技术现在可以使用多种材料来制造一种产品。这意味着设计的维度会变得非常高。桑达拉姆说:“剩下的就是所谓的‘组合爆炸’，在这种情况下，你基本上有如此多的材料和性能组合，以至于你没有机会评估每一种组合来创建最佳结构。”

在他们的工作中，研究人员首先定制了三种聚合物材料，它们具有构建驱动器所需的特定属性:颜色、磁化强度和刚性。最后，他们制造出了一种近乎透明的刚性材料，一种用作铰链的不透明柔性材料，以及一种对磁信号有反应的棕色纳米颗粒材料。他们将所有的特征数据插入到属性库中。

该系统以灰度图像示例作为输入，例如显示梵高肖像的平面驱动器，但倾斜到一个精确的角度以显示“尖叫”。它基本上执行了一种复杂的试错形式，有点像重新排列魔方，但在这种情况下，大约550万体素被迭代重新配置，以匹配图像并满足测量角度。

最初，系统从属性库中抽取，将不同的材料随机分配给不同的体素。然后，它运行一个模拟，看看这种排列是否描绘了两个目标图像，直线上和角度上。如果不是，它会得到一个错误信号。这个信号让它知道哪些体素在标记上，哪些体素应该被改变。例如，当施加磁场时，添加、删除和移动棕色磁体素将改变驱动器的角度。但是，系统还必须考虑对齐这些棕色体素将如何影响图像。

一个体素一个体素

为了计算驱动器在每次迭代中的外观，研究人员采用了一种名为“光线追踪”的计算机图形技术，该技术模拟了光与物体相互作用的路径。模拟光束通过驱动器射向每一列体素。驱动器可以制造超过100个体素层。列可以包含超过100个体素，不同的材料序列在平面或角度时辐射出不同的灰色阴影。

例如，当驱动器是平的时，光束可能照射到包含许多棕色体素的柱上，产生暗色调。但是当驱动器倾斜时，光束会照射到不对齐的体素上。棕色体素可能会从光束中移开，而更清晰的体素可能会移到光束中，从而产生较浅的色调。该系统使用该技术来对齐深色和浅色体素列，它们需要在平面和角度图像中。经过1亿次或更多的迭代，在几个小时到几十个小时的时间内，系统将找到适合目标图像的排列。

Sundaram说:“我们正在比较(体素列)在平坦或有标题时的样子，以匹配目标图像。”如果不是，你可以交换，比如说，一个透明体素和一个棕色体素。如果这是一种改进，我们会保留这个新建议，并不断进行其他更改。”

为了制造驱动器，研究人员制造了一台定制的3d打印机，该打印机使用了一种称为“按需掉落”的技术。这三种材料的桶连接到打印头，有数百个喷嘴，可以单独控制。打印机将指定材料的30微米大小的液滴发射到相应的体素位置。一旦液滴落在基底上，它就会凝固。这样，打印机就一层一层地构建了一个对象。

Sundaram说，这项工作可以作为设计更大结构的垫脚石，比如飞机机翼。例如，研究人员已经开始将飞机机翼分解成更小的体素状块，以优化重量和升力等指标的设计。

“我们还不能打印翅膀或任何这种规模的东西，也不能用这些材料。但我认为这是朝着这个目标迈出的第一步。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程机器人的故事。

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