當(dāng)今的商用飛機(jī)通常是分節(jié)制造的，通常是在不同的位置制造，一個(gè)工廠的機(jī)翼，另一個(gè)工廠的機(jī)身部分，其他地方尾翼部件，然后把這些空運(yùn)到大型貨運(yùn)飛機(jī)的中央工廠進(jìn)行最終組裝。
但是，如果裝配需要在一個(gè)地方完成，而整個(gè)飛機(jī)是由大量細(xì)小的相同零件組成，那該怎么辦呢？把他們?nèi)坑梢蝗何⑿?strong>機(jī)器人組成的團(tuán)隊(duì)就好了！
這正是麻省理工學(xué)院比特與原子中心（CBA）的研究生本杰明·杰內(nèi)特（Benjamin Jenett）與尼爾·格申菲爾德（Neil Gershenfeld）教授合作的博士論文所追求的愿景。現(xiàn)在已經(jīng)到了這樣一個(gè)地步，這種機(jī)器人的原型版本可以組裝小的結(jié)構(gòu)，甚至可以作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起構(gòu)建更大的組裝。
這項(xiàng)新工作發(fā)表在10月號(hào)的《 IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》上，該論文由Jenett，Gershenfeld，研究生Amira Abdel-Rahman和CBA校友Kenneth Cheung SM '07博士撰寫。12年級(jí)的肯尼斯?張現(xiàn)在在NASA的艾姆斯研究中心工作，他領(lǐng)導(dǎo)ARMADAS項(xiàng)目設(shè)計(jì)可以用于機(jī)器人組裝建造的月球基地。
休斯頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授亞倫·貝克爾（Aaron Becker）說(shuō)：“讀這篇論文是一種享受。”它結(jié)合了一流的機(jī)械設(shè)計(jì)和令人瞠目結(jié)舌的演示，新的機(jī)器人硬件，以及一個(gè)超過(guò)100000個(gè)元素的模擬仿真套件，”他說(shuō)。
圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院
“這的核心是一種新型的機(jī)器人技術(shù)，我們稱之為相對(duì)機(jī)器人，”Gershenfeld說(shuō)。他解釋說(shuō)，從歷史上看，機(jī)器人技術(shù)分為兩大類：一類是由昂貴的定制組件制成的，這些組件針對(duì)諸如工廠組裝之類的特殊應(yīng)用進(jìn)行了精心優(yōu)化，而另一類則是由廉價(jià)，批量生產(chǎn)且性能低得多的模塊制成。但是，新的機(jī)器人可以替代這兩種機(jī)器人。它們比前者要簡(jiǎn)單得多，但要比后者要強(qiáng)大得多，并且它們有可能徹底改變大型系統(tǒng)的生產(chǎn)，從飛機(jī)到橋梁再到整個(gè)建筑物。
根據(jù)Gershenfeld的說(shuō)法，關(guān)鍵區(qū)別在于機(jī)器人設(shè)備與其所處理和操縱的材料之間的關(guān)系。他說(shuō)，有了這些新型的機(jī)器人，“你無(wú)法將機(jī)器人與結(jié)構(gòu)分離，它們可以作為一個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作。” 例如，盡管大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人都需要高度精確的導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)跟蹤其位置，但是新的組裝機(jī)器人只需要跟蹤它們相對(duì)于當(dāng)前正在工作的稱為子像素的小型子單元的位置。機(jī)器人每次踏入下一個(gè)像素時(shí)，都會(huì)始終根據(jù)其當(dāng)前站立的特定組件重新調(diào)整其位置感。
文章潛在的愿景是，就像可以通過(guò)使用屏幕上的像素陣列來(lái)復(fù)制最復(fù)雜的圖像一樣，幾乎任何物理對(duì)象都可以作為較小的三維碎片或體素的陣列來(lái)重建，而這些三維碎片或體素可以自己制作簡(jiǎn)單的支柱和節(jié)點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)表明，可以布置這些簡(jiǎn)單的組件來(lái)有效地分配負(fù)載，從而使得它們完成大型工程。它們主要由開(kāi)放空間組成，因此結(jié)構(gòu)的總重量最小，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的組裝器將這些單元拾起并放置在彼此相鄰的位置，然后使用內(nèi)置在每個(gè)體素中的閂鎖系統(tǒng)將其固定在一起。
圖為兩個(gè)正在工作的原型組裝機(jī)器人，它們將一系列稱為體素的小單元組裝成一個(gè)較大的結(jié)構(gòu)。
圖片來(lái)源：Jenett
機(jī)器人本身就像一個(gè)小臂，中間有兩個(gè)長(zhǎng)節(jié)，兩個(gè)長(zhǎng)節(jié)鉸接在一起，每個(gè)末端都有用于夾持在體素結(jié)構(gòu)上的設(shè)備。這些簡(jiǎn)單的設(shè)備像蠕蟲(chóng)一樣四處移動(dòng)，通過(guò)反復(fù)打開(kāi)和關(guān)閉其V形主體從一個(gè)移到另一個(gè)，沿著一排體素前進(jìn)。Jenett稱其為小型機(jī)器人BILL-E（向電影機(jī)器人WALL-E致敬），它代表Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer。
Jenett已構(gòu)建了幾種版本的組裝器作為概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)，以及具有鎖定機(jī)制的相應(yīng)體素設(shè)計(jì)，可以輕松地將每個(gè)組裝者與鄰居分離或組裝。他使用這些原型演示了將塊組裝為線性，二維和三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程。Jenett說(shuō)：“我們并沒(méi)有在機(jī)器人中增加精度——精度來(lái)自結(jié)構(gòu)”。“這不同于所有其他機(jī)器人，機(jī)器人維修，它只需要知道下一步是什么。”
CBA負(fù)責(zé)人Gershenfeld說(shuō)，庫(kù)卡機(jī)器人，在組裝零件時(shí)，每個(gè)微型機(jī)器人都可以算出其在結(jié)構(gòu)上的階數(shù)。他說(shuō)，除了導(dǎo)航之外，這還使機(jī)器人可以在每個(gè)步驟中糾正錯(cuò)誤，從而消除了典型機(jī)器人系統(tǒng)的大部分復(fù)雜性。“它缺少大多數(shù)常用的控制系統(tǒng)，但只要不遺漏任何步驟，它就知道它在哪里。” 對(duì)于實(shí)際的組裝應(yīng)用，由于由Abdel-Rahman開(kāi)發(fā)的控制軟件可以使大量機(jī)器人協(xié)同工作以加快流程，因此機(jī)器人可以協(xié)調(diào)工作并避免彼此干擾。
圖片序列顯示了一個(gè)組裝機(jī)器人在工作，在一個(gè)正在施工的結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上方和下方承載一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。
圖片來(lái)源：Jenett
這種使用簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)由相同子單元組裝大型結(jié)構(gòu)的方法，就像孩子從樂(lè)高積木中組裝大型城堡一樣，已經(jīng)引起了一些主要潛在用戶的興趣，包括美國(guó)宇航局，麻省理工學(xué)院的這項(xiàng)研究合作者以及歐洲航空航天公司空中客車公司（Airbus SE）也幫助贊助了這項(xiàng)研究。
這種組裝的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)與初始組裝相同的機(jī)器人工藝輕松地進(jìn)行維修。損壞的部分可以從結(jié)構(gòu)上拆卸下來(lái)，并用新的部分替換，從而產(chǎn)生與原始結(jié)構(gòu)一樣堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。Gershenfeld說(shuō)：“拆建與拆建同等重要。”隨著時(shí)間的流逝，該過(guò)程還可用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改或改進(jìn)。
Jenett說(shuō)：“對(duì)于空間站或月球棲息地，這些機(jī)器人將居住在結(jié)構(gòu)上，不斷對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和修理。”Gershenfeld說(shuō)，最終，這種系統(tǒng)可以用來(lái)建造整個(gè)建筑物，特別是在太空，月球或火星等困難環(huán)境中。這可以消除從地面一直運(yùn)送大型預(yù)組裝結(jié)構(gòu)的需要。取而代之的是，可以發(fā)送大批微小的子單元，也可以使用可以在最終目的地將這些子單元搖出來(lái)的系統(tǒng)，從本地材料中將其制成。格申菲爾德說(shuō)：“如果您可以制造大型噴氣式飛機(jī)，那么您可以制造建筑物。”