自我雕刻的沙子:算法可以帮助微型机器人
新的算法可以使成堆的“智能沙子”可以呈现任何形状，允许自动形成新工具或复制损坏的机械部件。这可能有助于快速成型，并最终导致加工，其中零件是机床和最终产品。
想象一下，你有一大盒沙子，你在里面埋了一个小小的脚凳模型。几秒钟后，你把手伸进盒子里，拿出一个全尺寸的脚凳:沙子已经自己组装成一个模型的大尺寸复制品。
这听起来像是《哈利·波特》小说中的场景，但这正是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室分布式机器人实验室(DRL)一个研究项目的愿景。在5月份的IEEE国际机器人与自动化会议上，DRL的研究人员将发表一篇论文，描述可以实现这种“智能沙子”的算法。他们还描述了他们在更大的粒子上测试算法的实验——边缘大约10毫米的立方体，里面有基本的微处理器，四个侧面有非常不寻常的磁铁。
与许多其他可重构机器人的方法不同，智能沙子使用的是类似石雕的减法，而不是类似于把乐高积木拼在一起的加法。一堆聪明的沙子类似于雕刻家开始时用的粗糙的石头。单个颗粒可以来回传递信息，并选择性地相互连接，形成一个三维物体;那些不是建造物体所必需的颗粒就会掉落。当对象完成其任务时，它将被返回到堆中。它的组成颗粒会彼此分离，自由地参与新形状的形成。
分布式智能
在算法上，开发智能沙的主要挑战是单个颗粒的计算资源非常少。“如何开发高效的算法，在通信和存储层面上不浪费任何信息?”麻省理工学院计算机科学与工程教授丹妮拉·罗斯(Daniela Rus)和她的学生凯尔·吉尔平(Kyle Gilpin)问道。罗斯说，如果每一粒谷物都能简单地存储待组装物体的数字地图，“那么我就能以一种非常简单的方式提出一种算法。”“但我们希望在没有这个要求的情况下解决问题，因为当你谈论这种规模的模块时，这个要求是不现实的。”此外，罗斯说，从一次运行到下一次运行，堆中的颗粒将以完全不同的方式混杂在一起。罗斯说:“我们不想提前知道我们的区块是什么样子的。
用一个简单的物理模型(比如小脚凳)向堆传递形状信息有助于解决这两个问题。要了解研究人员的算法是如何工作的，考虑二维情况可能是最简单的。把每一粒沙子想象成二维网格中的一个正方形。现在想象一下，有些正方形——比如说，脚凳形状的——缺失了。这就是嵌入物理模型的地方。
根据这篇新论文的作者吉尔平的说法，这些颗粒首先相互传递信息，以确定哪些有缺失的邻居。(在网格模型中，每个正方形可以有八个邻居。)缺少邻居的颗粒位于以下两个位置之一:堆的周长或嵌入形状的周长。
一旦围绕嵌入形状的颗粒识别出自己，它们就会简单地将消息传递给固定距离外的其他颗粒，这些颗粒反过来识别自己，定义了副本的周长。如果副本的大小是原始形状的10倍，那么嵌入形状周围的每个正方形将映射到副本周长的10个正方形。一旦建立了副本的周长，它外面的颗粒就可以与它们的邻居断开连接。
快速原型
相同的算法可以更改为生成多个相同大小的样本形状副本，或者生成单个大型对象的大型副本。吉尔平说:“假设你汽车的轮胎杆被剪断了。“你可以用胶带把它粘在一起，把它放进你的系统里，然后买一个新的。”
吉尔平和罗斯为了测试他们的算法而建造的立方体——或“智能鹅卵石”——制定了简化的二维系统版本。每个立方体的四个面都镶嵌着所谓的电永磁体，这种材料可以用一个电脉冲磁化或消磁。与永久磁铁不同，它们可以打开和关闭;与电磁铁不同，它们不需要恒定的电流来保持磁性。这些鹅卵石不仅利用磁铁相互连接，还可以交流和分享能量。每块卵石都有一个微型微处理器，只能存储32kb的程序代码，只有2kb的工作内存。
吉尔平解释说，这些鹅卵石只有四个面有磁铁，因为加上微处理器和调节电源的电路，“已经没有空间再放两个磁铁了。”但吉尔平和罗斯进行了计算机模拟，显示他们的算法也可以处理三维立方体块，方法是将立方体的每一层都视为自己的二维网格。从最终形状中丢弃的立方体将简单地与上面和下面的立方体以及旁边的立方体断开连接。
麻省理工学院
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https://web.mit.edu/newsoffice/2012/smart-robotic-sand-0402.html
——克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程，www.globalelove.com
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