美國(guó)科學(xué)家用冰制作移動(dòng)機(jī)器人 未來(lái)將登上火星

此前，西湖大學(xué)的仇旻教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種技術(shù)，能夠在厚度為 300 納米的冰上刻畫圖案。

確切地講，通過(guò)一種三維微納加工技術(shù)，科學(xué)家們可以用冰來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光刻過(guò)程中的光刻膠。

這種聽(tīng)上去頗為新穎的「冰刻」技術(shù)拓寬了我國(guó)芯片行業(yè)的想象空間，或許在未來(lái)，發(fā)展芯片可以不用再苦等光刻機(jī)了。在另一層面，「冰刻機(jī)」的設(shè)計(jì)也讓我們意識(shí)到，冰這種自然界平平無(wú)奇的物質(zhì)，可能會(huì)推動(dòng)技術(shù)的變革!

湊巧的是，前不久美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué) GRASP 實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家也在嘗試用冰制作移動(dòng)機(jī)器人，未來(lái)將登上火星、奔赴南極，在各種極端條件下發(fā)揮效用。

就長(zhǎng)下面這樣，貌似有點(diǎn)小學(xué)生興趣小組作品展示的既視感?

用冰造一個(gè)火星車，靠譜嗎?

在去年 10 月召開的機(jī)器人與智能系統(tǒng)領(lǐng)域國(guó)際旗艦會(huì)議 2020 年 IEEE/RSJ 智能機(jī)器人與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議(IROS2020)上，與上述研究相關(guān)的論文被收錄，這一論文題為 Robots Made From Ice: An Analysis of Manufacturing Techniques(冰制機(jī)器人：制造技術(shù)分析)。

值得關(guān)注的是，兩位來(lái)自 GRASP 實(shí)驗(yàn)室的作者 Devin Carroll 和 Mark Yim 在論文中強(qiáng)調(diào)，這仍是非常初步的工作，他們才剛剛開始探索用冰做機(jī)器人的想法。

顯然，用冰造致動(dòng)器、電池或其他電子元件聽(tīng)著就不太可能，再者，冰永遠(yuǎn)都不會(huì)像鈦、碳纖維等結(jié)構(gòu)材料那樣高效。但冰也有著顯著特點(diǎn)——一方面，它在自然界中很常見(jiàn);另一方面，冰有著獨(dú)特的切割、雕刻和融合等改造方式。

我們不禁要問(wèn)，用冰造機(jī)器人，還要派它去探索行星或南極，就只是憑著冰有上述特性，這理由能站得住腳嗎?

具有自我修復(fù)或自我復(fù)制能力的模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，已成為一種強(qiáng)大的、低成本的外星或北極探索解決方案，但反觀目前的一些行星探索機(jī)器人，確實(shí)也是存在著不足，IEEE(美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì))旗艦出版物 IEEE Spectrum 的文章中寫道：

不管 NASA 的科學(xué)家們?yōu)樗麄兊男行翘剿鳈C(jī)器人做了多少重大突破，行星探索機(jī)器人最終可能都繞不開一個(gè)問(wèn)題：出現(xiàn)故障、甚至崩潰。

很難想象，在火星上，火星車的輪子出了問(wèn)題，探測(cè)任務(wù)是否還能順利進(jìn)行?

而在 IEEE Spectrum 看來(lái)，更關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題是，怎么在極端環(huán)境下找到資源，保證機(jī)器人的正常運(yùn)行。此前面對(duì)這一問(wèn)題，科學(xué)家和工程師們提出的方案是：利用太陽(yáng)能等能源支撐探測(cè)器的運(yùn)行，畢竟太陽(yáng)能是比較常見(jiàn)的。

2020 年 7 月 23 日中午，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭搭載著我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器 “天問(wèn)一號(hào)”出發(fā)，目前 “天問(wèn)一號(hào)”飛行里程已突破 4 億公里，火星車預(yù)計(jì)在今年 5 月正式著落。

雷 鋒網(wǎng)此前曾報(bào)道，此次這臺(tái)置有 6 臺(tái)科學(xué)儀器的中國(guó)首輛火星車另配有 4 個(gè)太陽(yáng)能電池板。據(jù)科創(chuàng)中國(guó)報(bào)道，這一技術(shù)是我國(guó)最先進(jìn)的實(shí)用性太陽(yáng)能電池陣列，也安裝在我國(guó)新一代載人飛船、“北斗三號(hào)”導(dǎo)航衛(wèi)星、“玉兔號(hào)”月面巡視器上。也就是說(shuō)，在深空探測(cè)領(lǐng)域，光伏發(fā)電技術(shù)已是一個(gè)趨勢(shì)。

可能有人會(huì)問(wèn)，元器件壞了，可能有太陽(yáng)能也沒(méi)轍，怎么辦?

這個(gè)問(wèn)題 Devin Carroll 和 Mark Yim 也想到了，所以他們的想法是，不僅用冰造機(jī)器人，關(guān)鍵時(shí)刻機(jī)器人還能隨地取冰用冰，自造部件。

兩位科學(xué)家的腦洞如何實(shí)現(xiàn)?

聽(tīng)著有點(diǎn)玄乎，兩位科學(xué)家具體是怎么做的?

據(jù)了解，他們希望開發(fā)出一種可展示 “自我重構(gòu)、自我復(fù)制和自我修復(fù)”的機(jī)器人概念，他們的設(shè)想是，機(jī)器人主要是在極端環(huán)境下工作，這個(gè)環(huán)境足夠冷、結(jié)冰穩(wěn)定，機(jī)器人因操作而產(chǎn)生的熱量不會(huì)導(dǎo)致融化甚至短路，造成不便。

兩位科學(xué)家探討了用冰制造機(jī)器人結(jié)構(gòu)部件的不同方法，涵蓋了「增材」(additive)和「減材」(subtractive)兩種制造工藝。據(jù) IEEE Spectrum 報(bào)道，相比塑模、3D 打印、數(shù)控加工等方式，科學(xué)家們認(rèn)為最節(jié)能有效的方式應(yīng)該是切冰(即便有的時(shí)候需要冰塊融合重塑)。

Devin Carroll 還在油管上公開了配方：機(jī)器人 = 電動(dòng)機(jī) + 底座 + 冰塊制的各個(gè)部件

經(jīng)過(guò)這種似乎有點(diǎn)兒簡(jiǎn)單粗暴的方式，人稱IceBot 的南極探險(xiǎn)機(jī)器人概念版就問(wèn)世了，據(jù)說(shuō)重 6.3 公斤。

看到這里，估計(jì)不少人心里都嘀咕著一句 “就這”，別急，我們?cè)賮?lái)看看這款機(jī)器人的實(shí)際效果。

小車車上斜坡還挺平穩(wěn)，也能推開前方的垃圾保持不倒。

值得注意的是，小車車只是一個(gè)雛形，將來(lái)進(jìn)行科考時(shí)一定不會(huì)是這樣的畫風(fēng)。現(xiàn)階段，研究人員基本上只證明了 IceBot 的兩點(diǎn)功能：一是可移動(dòng)、二是在室溫下也不會(huì)很快裂開。自然，在 IceBot 實(shí)現(xiàn)自我重組、自我復(fù)制和自我修復(fù)的能力之前，兩位科學(xué)家還有很多工作要做。

后續(xù)能做些什么?

可能會(huì)有人覺(jué)得這項(xiàng)研究不太可行，但作為出自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué) GRASP 實(shí)驗(yàn)室的作品，還是值得期待的。

無(wú)疑，賓夕法尼亞大學(xué)在機(jī)器人研究領(lǐng)域根基深厚。

1961 年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)工程院院長(zhǎng) Vijay Kumar說(shuō)服通用汽車安裝了第一臺(tái)處理鋼錠的機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人由此誕生。

1980 年代，機(jī)器人領(lǐng)域的一大突破便是，機(jī)器人通過(guò) “腿”或輪子，擁有了移動(dòng)的能力——這一成就正是源于賓夕法尼亞大學(xué) GRASP 實(shí)驗(yàn)室。

1979 年，計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域杰出女性、賓夕法尼亞大學(xué)前計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程教授兼主席 Ruzena Bajcsy 建立了 GRASP 實(shí)驗(yàn)室，其全稱是 General Robotics, Automation, Sensing and Perception Laboratory(通用機(jī)器人、自動(dòng)化、傳感和感知實(shí)驗(yàn)室)。

【1984 年的 Ruzena Bajcsy(最中間的女性)和實(shí)驗(yàn)室成員】

該實(shí)驗(yàn)室是賓夕法尼亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的跨學(xué)科學(xué)術(shù)和研究中心，也是一個(gè)領(lǐng)先的機(jī)器人孵化器，專注于視覺(jué)、感知、控制系統(tǒng)、自動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。

而此論文的兩位作者也值得我們關(guān)注，其一是Devin Carroll 博士，其二則是 Mark Yim。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)信息，Mark Yim 擔(dān)任著實(shí)驗(yàn)室主任一職，其研究興趣始于模塊化機(jī)器人，除了自我重新配置和自我組裝機(jī)器人，他也在研究飛行機(jī)器人及相關(guān)任務(wù)規(guī)范。

最近，就上述研究，IEEE Spectrum 簡(jiǎn)單采訪了Devin Carroll 博士。Devin Carroll 博士提到，他曾設(shè)計(jì)過(guò)一款幫助生態(tài)學(xué)家調(diào)查森林的有軌電車機(jī)器人，發(fā)現(xiàn)所面臨的挑戰(zhàn)不僅是成本——隨著時(shí)間的推移，自然元素會(huì)破壞這類機(jī)器人，因此兩位科學(xué)家開始了用現(xiàn)有材料建造機(jī)器人的嘗試，最終他們選擇了冰。

就未來(lái)而言，在機(jī)械臂 / 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)方面，他們正在探索的一個(gè)想法是：利用電阻絲網(wǎng)局部融化冰塊表面，在打算將冰加工成所需的幾何形狀時(shí)，在它和機(jī)械臂之間建立臨時(shí)連接。

短期內(nèi)的研究重點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)一個(gè)模塊化關(guān)節(jié)，保證更容易、安全地連接驅(qū)動(dòng)器和冰，并且嘗試?yán)寐萁z孔等連接方法，確保冰塊形狀不變。

未來(lái)這款小車車將有何突破，我們拭目以待

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 機(jī)器人 火星