柔韧而坚固的机器人被设计成像植物一样“生长”

在今天的工厂和仓库里,经常可以看到机器人呼啸而过,把物品或工具从一个站运送到另一个站。在大多数情况下,机器人很容易在开放式布局中导航。但他们要在狭窄的空间里完成一些任务要困难得多,比如从杂乱的货架后面拿东西,或者绕着汽车引擎零件拧开油盖。

现在,麻省理工学院的工程师们已经开发出了一种机器人,它的设计目的是将一个类似链状的附肢加以延伸,使之具有足够的灵活性,可以在任何必要的结构中进行扭转和转动,同时又具有足够的刚性来承受沉重的负荷,或施加扭矩来在狭小的空间中组装零件。当任务完成后,机器人可以缩回附件,并以不同的长度和形状再次延长,以适应下一个任务。

附属物的设计灵感来自于植物的生长方式,其中包括将营养物以流态化的形式输送到植物的顶端。在那里,它们被转化成固体材料,一点一点地生产支撑茎。

同样地,这个机器人由一个“生长点”或齿轮箱组成,它把一个松散的连锁块链拉进盒子里。盒子里的齿轮把链条单元锁在一起,然后把链条作为一个刚性附属物一个单元一个单元地送出去。

研究人员本周在澳门举行的IEEE智能机器人与系统国际会议(IROS)上展示了这款受植物启发的“成长中的机器人”。他们设想可以在机器人的齿轮箱上安装抓手、摄像头和其他传感器,使它能够在飞机的推进系统中漫游,拧紧一个松动的螺丝,或者把手伸到货架上抓取产品,而不影响周围库存的组织,以及完成其他任务。

麻省理工学院机械工程学教授Harry Asada说:“考虑给你的汽车换油。“打开发动机顶部后,你必须要有足够的灵活性,可以左右急转,到达机油滤清器,然后你必须要有足够的韧性来拧开机油滤清器盖,把它取下来。”

“现在我们有了一个有潜力完成这些任务的机器人,”曾在浅田实验室工作的研究生严通喜(音)说。“它可以生长,收缩,再生长成不同的形状,以适应它的环境。”

该团队还包括麻省理工学院的研究生艾米丽·卡米恩斯基和访问学者Seiichi Teshigawara,后者在会议上展示了研究结果。

最后一脚

新机器人的设计是浅田真一在解决“最后一英尺问题”方面工作的一个分支,“最后一英尺问题”是一个工程术语,指的是机器人任务或探索任务的最后一步,或脚。虽然机器人可能会把大部分时间花在穿越开放空间上,但其任务的最后一步可能是在更紧凑、更复杂的空间中进行更灵活的导航,以完成一项任务。

工程师们已经设计出各种各样的概念和原型来解决最后一个一英尺的问题,包括由柔软的气球状材料制成的机器人,这些材料像藤蔓一样生长,可以挤过狭窄的缝隙。但浅田真一说,这种柔性可扩展机器人不够坚固,不足以支持“末端执行器”,或附加组件,如抓手、相机和其他传感器,这些都是执行任务所必需的,一旦机器人爬到了目的地。

福特基金会的工程学教授浅田说:“我们的解决方案实际上不是软的,而是对刚性材料的巧妙利用。”

链的链接

一旦团队定义了植物生长的一般功能元素,他们就会在一个可扩展的机器人上,从一般意义上模仿这一点。

浅田真一说:“机器人的实现与真实的植物完全不同,但它在一定的抽象层面上展示了同样的功能。”

研究人员设计了一个齿轮箱来代表机器人的“生长尖端”,类似于植物的萌芽,在那里,随着更多的营养物质流向该部位,尖端会输送出更坚硬的茎干。在盒子里,他们安装了一个由齿轮和马达组成的系统,该系统的作用是拉起一种流化的材料——在这种情况下,是一个由3d打印的塑料单元相互连接的弯曲序列,类似于自行车链条。

当链条被送进盒子时,它会转动绞盘,绞盘通过第二套马达将链条上的某些部件与相邻的部件锁在一起,这样链条在被送出盒子时就形成了一个刚性的附属物。

研究人员可以对机器人进行编程,使其在不锁门的情况下将特定的单元锁在一起,形成特定的形状,或向特定方向“生长”。在实验中,他们可以让机器人在障碍物从基座延伸或延伸时转弯。

“它可以被锁定在不同的地方,以不同的方式弯曲,并具有广泛的运动范围,”严说。

如果链条是锁紧的,并且是刚性的,那么它的强度足以支撑一磅重的重物。研究人员说,如果在机器人的生长尖端或变速箱上安装一个夹具,机器人就有可能长到足以在狭窄的空间里漫步,然后施加足够的扭矩来松开一个螺栓或拧开一个盖子。

根据Kamienski的说法,汽车维护是机器人可以协助完成任务的一个很好的例子。“引擎盖下的空间是相对开放的,但这是最后一点,你必须绕过引擎块或其他东西才能到达机油滤清器,一个固定的手臂不能绕过它。这个机器人可以做类似的事情。”

这项研究部分由NSK有限公司资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/robot-grow-like-plant-1107

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