麻省理工提出快速设计与制造机器人的新方法

尽管机器人在世界各地变得越来越常见，但要制造它们仍然很难。从设计建模到制造测试，整个过程缓慢且昂贵：即使是一个小的改动也可能意味着需要几天或几周的时间来重新思考、修改重要硬件。

但如果有一种方法能让非专业人士设计不同的机器人呢?

美国麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的研究人员正在朝这一目标靠近。在一篇新发表的论文中，他们提出了一个名为“交互式Robogami”的系统，可以让我们在几分钟内设计出一个机器人，然后三维打印出来，只用四个小时就能完成组装。该系统的一个主要特点是允许设计师决定机器人的运动(“步态”)和形状(“几何”)，在设计系统中这两种特性往往分开设计。“设计机器人通常需要的专业知识只有机械工程师和机器人专家才具备。”研究人员说，“令人兴奋的是，我们创造了一种工具，为业余用户提供这种专业知识，使其能设计自己的机器人。”这篇论文发表在最新一期的《国际机器人学研究杂志》(International Journal of Robotics Research)上。

这个系统是如何运作的？

三维打印技术改变了人们将想法转变为实物的方式，允许用户摆脱更传统的制造方式。尽管有了这些发展，目前的设计工具仍然存在空间和运动方面的限制，并且要了解各种细微差别还需花大力气学习。

“交互式Robogami”的目标是更加直观的工具。它使用模拟和交互式反馈与算法进行设计组合，允许用户集中于高级概念设计。用户可以从由50多种不同的身体、轮子、腿和“外围设备”构成库中进行挑选，还可以选择不同的步骤(“步态”)。

重要的是，该系统能够通过分析速度和稳定性等因素，从而提出建议确保设计实际可行，例如，避免用户制造出一个头重脚轻的机器人，移动时候就会翻倒。一旦完成设计，机器人就会被制造出来。该研究团队受折纸工艺启发而创造出的“三维打印和折叠”技术将设计打印成关节处连接的平面，然后将设计折叠成最终的形状。这一技术结合了二维和三维打印最有效的部分。

“三维打印可以让我们打印复杂的刚性结构，而二维制造则能让我们快速制作出轻质但强大的结构。”研究人员表示，“通过三维打印二维模式，我们可以利用它们各自的优势，采用轻质材料，创造出强大而复杂的设计。”

成果

为了测试这个系统，该研究团队招募了8名受试者。他们在接受20分钟的训练后，要求完成两项任务。一项任务是在十分钟内制作一个移动的、稳定的汽车设计。另一项任务中，用户得到了一个机器人设计，要求创建一条轨迹为机器人导航，在最短的行程时间内通过一条障碍路线。

该研究团队总共制作了6个机器人，每个机器人设计用时10到15分钟，打印用时3到7小时，组装用时30到90分钟。该团队发现，他们的三维打印和折叠方法减少了73%的打印时间和70%的材料使用量。机器人还展示了各种运动，比如用单腿走路，使用不同的步态顺序，同时使用腿和轮子。

“我们可以很快地设计出一个机器人，打印出来，这将有助于我们快速、轻松、低成本地完成任务。”研究人员说，“这也降低了每个人设计和制造机器人的障碍。”研究人员希望人们能够将机器人用到日常工作中，类似的快速打印技术系统将能够实现大规模的定制和生产机器人。“这些工具提供了教授计算思维和创造的新方法。”研究人员说，“学生们不仅可以通过编码和制作自己的机器人来学习，还可以让机器人能做的概念性想法变成现实。”

虽然目前的系统版本重点在设计可以行走的机器人，但该研究团队希望未来机器人能够飞行。他们的另一个目标是让用户能够进入该系统，并根据机器人可以执行的任务来定义它的行为。

“这个工具能够在设计过程的早期阶段快速探索动态机器人。”没有参与这项研究的迪斯尼研究中心（Disney Research）研究人员指出，“专家定义构建模块，制定约束规则和组合规则，为非专业人士制造复杂的机器人系统铺平了道路。这个系统可能会激发未来对更复杂的机器人进行计算设计。”