组装机器人由小零件制成大型结构

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，其他地方的尾翼部件-然后以巨大的货机飞往中央工厂进行最终组装。

但是，如果最后的装配是唯一的装配，而整个飞机是由大量细小的相同零件组成，并且全部由一群微型机器人组成的，那该怎么办呢？

这就是研究生本杰明·杰内特（Benjamin Jenett）与麻省理工学院的位与原子中心（CBA）的尼尔·格申菲尔德教授一起工作的愿景，是他的博士论文。如今，这类机器人的原型版本可以组装小型结构，甚至可以作为一个团队一起构建更大的组件。

Jenett，Gershenfeld，研究生Amira Abdel-Rahman和CBA校友Kenneth Cheung SM ’07，PhD ’12的论文发表在IEEE机器人学与自动化快报 10月号上，该论文现在在NASA上发表。艾姆斯研究中心（Ames Research Center），他领导ARMADAS项目设计了可以通过机器人组装建造的月球基地。

休斯敦大学电气与计算机工程副教授亚伦·贝克尔（Aaron Becker）说：“本文是一种享受。” 他说：“它结合了一流的机械设计，令人叹为观止的演示，新的机器人硬件以及包含超过100,000个元素的仿真套件。”

“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，机器人技术有两大类：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。

实验展示了1D，2D和3D离散蜂窝结构的相对机器人组装

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，“您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，虽然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仅需要跟踪它们与当前正在工作的称为子像素的小型子单元相关的位置。机器人每次踏入下一个体素时，都会始终根据其当前站立的特定组件重新调整其位置感。

潜在的愿景是，就像可以通过在屏幕上使用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，这些三维碎片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。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。

机器人本身就像一条小臂，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紧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，通过重复打开和关闭其V形物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已经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装卸。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。“我们没有把精度放在机器人上；Jenett说，“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在哪里。”

CBA的负责人格申费尔德（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台阶数。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，但是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，从而加快整个过程，从而使机器人能够协调工作并避免彼此干扰。

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。

计算机仿真显示，一组四个组装机器人正在构建三维结构。可以释放这种机器人的整个群，以创建大型结构，例如飞机机翼或太空栖息地。图片由研究人员提供

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。“拆建与拆建同等重要，” Gershenfeld说，随着时间的流逝，该过程还可用于对系统进行修改或改进。

珍妮特说：“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。”

格申菲尔德说，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-或使用可以在最终目的地将这些子单元摇出来的系统，从本地材料中将它们制成。“如果您可以制造大型喷气式飞机，那么您可以制造建筑物，” Gershenfeld说。

德国不伦瑞克工业大学操作系统和计算机网络研究所所长桑德尔·费克特（Sandor Fekete）并未参与此项工作，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奇的视角。大型结构，在航空航天应用中至关重要。”

但是组装这样的系统是一个挑战，费克特说，他计划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一关键任务的唯一方法。Ben Jenett及其合作者所做的这项极其原始而巧妙的工作，极大地推动了可动态调节飞机机翼，巨大太阳帆甚至可重构空间栖息地的建设。”