国家级科研成果！用机器人造飞机成为可能！

前言

制造飞机不是一件简单的事，对于机器人来说，或许这个前沿成果能让人类制造飞机更轻松！

当今的商用飞机通常是分节制造的，通常是在不同的位置制造，一个工厂的机翼，另一个工厂的机身部分，其他地方尾翼部件，然后把这些空运到大型货运飞机的中央工厂进行最终组装。

但是，如果装配需要在一个地方完成，而整个飞机是由大量细小的相同零件组成，那该怎么办呢？把他们全部由一群微型机器人组成的团队就好了！

这正是麻省理工学院比特与原子中心（CBA）的研究生本杰明·杰内特（Benjamin Jenett）与尼尔·格申菲尔德（Neil Gershenfeld）教授合作的博士论文所追求的愿景。现在已经到了这样一个地步，这种机器人的原型版本可以组装小的结构，甚至可以作为一个团队一起构建更大的组装。

这项新工作发表在10月号的《 IEEE机器人与自动化快报》上，该论文由Jenett，Gershenfeld，研究生Amira Abdel-Rahman和CBA校友Kenneth Cheung SM '07博士撰写。12年级的肯尼斯•张现在在NASA的艾姆斯研究中心工作，他领导ARMADAS项目设计可以用于机器人组装建造的月球基地。

休斯顿大学电气与计算机工程副教授亚伦·贝克尔（Aaron Becker）说：“读这篇论文是一种享受。”它结合了一流的机械设计和令人瞠目结舌的演示，新的机器人硬件，以及一个超过100000个元素的模拟仿真套件，”他说。

图片来源：麻省理工学院

“这的核心是一种新型的机器人技术，我们称之为相对机器人，”Gershenfeld说。他解释说，从历史上看，机器人技术分为两大类：一类是由昂贵的定制组件制成的，这些组件针对诸如工厂组装之类的特殊应用进行了精心优化，而另一类则是由廉价，批量生产且性能低得多的模块制成。但是，新的机器人可以替代这两种机器人。它们比前者要简单得多，但要比后者要强大得多，并且它们有可能彻底改变大型系统的生产，从飞机到桥梁再到整个建筑物。

根据Gershenfeld的说法，关键区别在于机器人设备与其所处理和操纵的材料之间的关系。他说，有了这些新型的机器人，“你无法将机器人与结构分离，它们可以作为一个系统协同工作。”例如，尽管大多数移动机器人都需要高度精确的导航系统来跟踪其位置，但是新的组装机器人只需要跟踪它们相对于当前正在工作的称为子像素的小型子单元的位置。机器人每次踏入下一个像素时，都会始终根据其当前站立的特定组件重新调整其位置感。

文章潜在的愿景是，就像可以通过使用屏幕上的像素阵列来复制最复杂的图像一样，几乎任何物理对象都可以作为较小的三维碎片或体素的阵列来重建，而这些三维碎片或体素可以自己制作简单的支柱和节点。该团队表明，可以布置这些简单的组件来有效地分配负载，从而使得它们完成大型工程。它们主要由开放空间组成，因此结构的总重量最小，可以通过简单的组装器将这些单元拾起并放置在彼此相邻的位置，然后使用内置在每个体素中的闩锁系统将其固定在一起。

图为两个正在工作的原型组装机器人，它们将一系列称为体素的小单元组装成一个较大的结构。图片来源：Jenett

机器人本身就像一个小臂，中间有两个长节，两个长节铰接在一起，每个末端都有用于夹持在体素结构上的设备。这些简单的设备像蠕虫一样四处移动，通过反复打开和关闭其V形主体从一个移到另一个，沿着一排体素前进。Jenett称其为小型机器人BILL-E（向电影机器人WALL-E致敬），它代表Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer。

Jenett已构建了几种版本的组装器作为概念验证设计，以及具有锁定机制的相应体素设计，可以轻松地将每个组装者与邻居分离或组装。他使用这些原型演示了将块组装为线性，二维和三维结构的过程。Jenett说：“我们并没有在机器人中增加精度——精度来自结构”。“这不同于所有其他机器人，它只需要知道下一步是什么。”

CBA负责人Gershenfeld说，在组装零件时，每个微型机器人都可以算出其在结构上的阶数。他说，除了导航之外，这还使机器人可以在每个步骤中纠正错误，从而消除了典型机器人系统的大部分复杂性。“它缺少大多数常用的控制系统，但只要不遗漏任何步骤，它就知道它在哪里。” 对于实际的组装应用，由于由Abdel-Rahman开发的控制软件可以使大量机器人协同工作以加快流程，因此机器人可以协调工作并避免彼此干扰。

图片序列显示了一个组装机器人在工作，在一个正在施工的结构的另一侧上方和下方承载一个结构单元。图片来源：Jenett

这种使用简单的机器人系统由相同子单元组装大型结构的方法，就像孩子从乐高积木中组装大型城堡一样，已经引起了一些主要潜在用户的兴趣，包括美国宇航局，麻省理工学院的这项研究合作者以及欧洲航空航天公司空中客车公司（Airbus SE）也帮助赞助了这项研究。

这种组装的一个优点是可以通过与初始组装相同的机器人工艺轻松地进行维修。损坏的部分可以从结构上拆卸下来，并用新的部分替换，从而产生与原始结构一样坚固的结构。Gershenfeld说：“拆建与拆建同等重要。”随着时间的流逝，该过程还可用于对系统进行修改或改进。

Jenett说：“对于空间站或月球栖息地，这些机器人将居住在结构上，不断对其进行维护和修理。”Gershenfeld说，最终，这种系统可以用来建造整个建筑物，特别是在太空，月球或火星等困难环境中。这可以消除从地面一直运送大型预组装结构的需要。取而代之的是，可以发送大批微小的子单元，也可以使用可以在最终目的地将这些子单元摇出来的系统，从本地材料中将其制成。格申菲尔德说：“如果您可以制造大型喷气式飞机，那么您可以制造建筑物。”

德国Technical University操作系统和计算机网络研究所所长桑德尔·费克特（Sandor Fekete）遗憾并未参与此项工作，但他也表示了高度赞赏，他说：“诸如此类的超轻数字材料为构建高效，复杂的系统提供了令人惊讶的视角。在大型结构，航空航天的应用中都至关重要！”

但是组装这样的系统是一个挑战，Fekete说，他计划接下来会加入研究团队以进一步开发控制系统。“这是使用小型和简单的机器人有望带来下一个突破的地方：机器人不会感到疲劳或无聊，而使用许多微型机器人似乎是完成这项关键任务的唯一方法。这项极其原始和巧妙的工作由Ben Jennet和合作者共同完成的工作，向可动态调节飞机机翼，巨大的太阳帆乃至可重构空间栖息地的建设迈出了一大步。”在此过程中，Gershenfeld说“我们觉得自己也在探索混合材料机器人系统的新领域。”