冰制机器人可在星际探索时进行自我修复与建造

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太阳系到处都是冰,探测机器人可以用它作为结构材料。

Photo: GRASP Lab
IceBot is a proof-of-concept robot with structural parts made of ice.

NASA和JPL的行星探测机器人无疑是出色的,但每一个机器人最终都会出现故障。虽然这些故障大多都是小毛病,很容易解决。但在星际探索时,周边并没有维修点。即便说火星车可以在轮子磨损时进行自我修复或更换,但是,又让其去哪里寻找新的轮子呢?

还有一个更大的问题,需要找到必要的资源。研究人员已经很好地解决了电力问题 – 依靠太阳能,因为太阳能是一种几乎可以在任何地方找到的资源。毕竟,轮子和行星机器人的其他关键部件并不依靠太阳能。但是,车轮以及其他结构部件可以由另一种材料制成,这种材料在整个太阳系中都能找到:冰。

在IEEE/RSJ国际智能机器人与系统会议(IROS)上发表的一篇论文中,费城宾夕法尼亚大学GRASP实验室的Devin Carroll和Mark Yim强调这是一项非常初步的工作。他们表示,才刚刚开始探索用冰做机器人的想法。很明显,你不可能用冰制造执行器、电池或其他电子产品,冰也永远不会像钛、碳纤维或其他任何结构材料那样高效。但是冰可以在很多不同的地方找到,而且它的独特之处在于它是如何被改变的,热可以用来切割和雕刻它,也可以把它粘在自己身上。

IROS的论文着眼于使用加法和减法两种制造工艺从冰中制造机器人结构部件的不同方法,目的是为机器人开发一种能够表现出[自重构、自复制和自修复]的概念。假设机器人将在到处都是冰的环境,那里的环境温度足够冷,冰保持稳定,理想情况下也足够冷,机器人产生的热量不会导致不方便的自融或更不方便的自短路。在成型、3D打印和CNC加工之间,用钻头切割冰是最节能、最有效的方法,尽管理想情况下,你会想找到一种方法来使用它,你可以管理产生的废水和刨冰,这样它们就不会在你不希望的地方再冻结。

IceBot是一款重量为6.3公斤的南极探险机器人,是概念的验证。它是手工制作的,研究人员大多只是证明它能四处移动,即使在室温下也不会立即摔成碎片。在IceBot能够实现一些自我重构、自我复制和自我修复能力之前,还有很多事情要做,但研究人员正在努力。关于这一点,我们(作者,以下简称我)通过电子邮件与主要作者Devin Carroll进行了交谈。

IEEE Spectrum:这个想法是从哪里来的,为什么你认为它以前没有被尝试过?

Devin Carroll:我设计的第一个机器人是一个有轨电车机器人,供生态学家用来调查森林。为这一领域制造机器人所面临的挑战之一不仅是机器人的价格昂贵,而且随着时间的推移,自然因素会破坏它们。Mark和我开始探索用找到的材料制造机器人的想法,以此来增加机器人系统在远程或敌对环境中运行的稳定性,第二个目标是降低系统的成本。我们最终选择了冰,因为它给我们提供了设计上的灵活性,以及目前人们对冰的、偏远的环境的兴趣。气候变化使许多人对南极和冰原感兴趣,而美国宇航局和其他太空探索小组则在寻找恒星中的冰和水。因此,如果我们能从冰上造出一个机器人,或许它可以用来协助探索冰封的行星,以获取生命和数据,那么冰就成了最符合逻辑的一步。

我认为这是以前没有做过的,因为使用冰会带来不确定性。与传统的建筑材料不同,设计师不知道什么条件会导致冰失效。我们可以做出有根据的猜测,但误差要大得多。机器人的制造和安全到达也有一些复杂的问题。如果我们建造它,然后将它运送到部署地点,它必须在整个过程中保持低温,而如果我们在部署地点建造它,我们还必须将制造地点与系统一起运送,从而增加与系统相关的总体货币和能源成本。

你能推测一下,如果北极(或行星)探险机器人具备自我改造或修复能力,它会是什么样子吗?

当我想到一个北极(或行星)探索机器人,它具有自我修改或修复的能力时,我设想了一个有两种机器人的系统。第一种是探索环境并收集执行自我增强或修复所需的材料,第二种是某种机械手/制造系统。我论文的一部分包括了这方面的工作。在机械手/末端执行器设计方面,我们正在探索的一个想法是使用电阻丝网格局部融化冰块表面,并在操纵冰块和机械手之间创建临时连接,同时将其加工成所需的几何图形。

你下一步要做什么?

我当前的重点是设计一个模块化的接头,我们可以使用它轻松安全地将致动器与冰块连接起来,并开发一个末端执行器,使我们能够操纵冰块,而不会通过螺孔或其他类似的连接方法使其永久变形。这些方向的一个有趣的设计挑战是确保最大化连接强度,同时最小化实现它们的能源消耗。特别是在偏远的环境中,能源是一种有价值的商品,而像我所描述的那样的系统只有在设计时考虑到能源的情况下才会有效。

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