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美国科学家用冰造了辆机器车,自己的轮子自己修,要上火星赴南极!

作者:付静
2021/01/12 18:31

此前,西湖大学的仇旻教授团队研发了一种技术,能够在厚度为 300 纳米的冰上刻画图案。

确切地讲,通过一种三维微纳加工技术,科学家们可以用冰来代替传统光刻过程中的光刻胶。

这种听上去颇为新颖的「冰刻」技术拓宽了我国芯片行业的想象空间,或许在未来,发展芯片可以不用再苦等光刻机了。在另一层面,「冰刻机」的设计也让我们意识到,冰这种自然界平平无奇的物质,可能会推动技术的变革!

凑巧的是,前不久美国宾夕法尼亚大学 GRASP 实验室的科学家也在尝试用冰制作移动机器人,未来将登上火星、奔赴南极,在各种极端条件下发挥效用。

就长下面这样,貌似有点小学生兴趣小组作品展示的既视感?

美国科学家用冰造了辆机器车,自己的轮子自己修,要上火星赴南极!

用冰造一个火星车,靠谱吗?

在去年 10 月召开的机器人与智能系统领域国际旗舰会议 2020 年 IEEE/RSJ 智能机器人与系统国际会议(IROS 2020)上,与上述研究相关的论文被收录,这一论文题为 Robots Made From Ice: An Analysis of Manufacturing Techniques(冰制机器人:制造技术分析)。

美国科学家用冰造了辆机器车,自己的轮子自己修,要上火星赴南极!

值得关注的是,两位来自 GRASP 实验室的作者 Devin Carroll 和 Mark Yim 在论文中强调,这仍是非常初步的工作,他们才刚刚开始探索用冰做机器人的想法。

显然,用冰造致动器、电池或其他电子元件听着就不太可能,再者,冰永远都不会像钛、碳纤维等结构材料那样高效。但冰也有着显著特点——一方面,它在自然界中很常见;另一方面,冰有着独特的切割、雕刻和融合等改造方式。

我们不禁要问,用冰造机器人,还要派它去探索行星或南极,就只是凭着冰有上述特性,这理由能站得住脚吗?

具有自我修复或自我复制能力的模块化机器人系统,已成为一种强大的、低成本的外星或北极探索解决方案,但反观目前的一些行星探索机器人,确实也是存在着不足,IEEE(美国电气电子工程师学会)旗舰出版物 IEEE Spectrum 的文章中写道:

不管 NASA 的科学家们为他们的行星探索机器人做了多少重大突破,行星探索机器人最终可能都绕不开一个问题:出现故障、甚至崩溃。

很难想象,在火星上,火星车的轮子出了问题,探测任务是否还能顺利进行?

而在 IEEE Spectrum 看来,更关键的一个问题是,怎么在极端环境下找到资源,保证机器人的正常运行。此前面对这一问题,科学家和工程师们提出的方案是:利用太阳能等能源支撑探测器的运行,毕竟太阳能是比较常见的。

2020 年 7 月 23 日中午,长征五号遥四运载火箭搭载着我国首个火星探测器“天问一号”出发,目前“天问一号”飞行里程已突破 4 亿公里,火星车预计在今年 5 月正式着落。

美国科学家用冰造了辆机器车,自己的轮子自己修,要上火星赴南极!

雷锋网(公众号:雷锋网)此前曾报道,此次这台置有 6 台科学仪器的中国首辆火星车另配有 4 个太阳能电池板。据科创中国报道,这一技术是我国最先进的实用性太阳能电池阵列,也安装在我国新一代载人飞船、“北斗三号”导航卫星、“玉兔号”月面巡视器上。也就是说,在深空探测领域,光伏发电技术已是一个趋势。

可能有人会问,元器件坏了,可能有太阳能也没辙,怎么办?

这个问题 Devin Carroll 和 Mark Yim 也想到了,所以他们的想法是,不仅用冰造机器人,关键时刻机器人还能随地取冰用冰,自造部件。

两位科学家的脑洞如何实现?

听着有点玄乎,两位科学家具体是怎么做的?

据了解,他们希望开发出一种可展示“自我重构、自我复制和自我修复”的机器人概念,他们的设想是,机器人主要是在极端环境下工作,这个环境足够冷、结冰稳定,机器人因操作而产生的热量不会导致融化甚至短路,造成不便。

两位科学家探讨了用冰制造机器人结构部件的不同方法,涵盖了「增材」(additive)和「减材」(subtractive)两种制造工艺。据 IEEE Spectrum 报道,相比塑模、3D 打印、数控加工等方式,科学家们认为最节能有效的方式应该是切冰(即便有的时候需要冰块融合重塑)。

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Devin Carroll 还在油管上公开了配方:机器人=电动机+底座+冰块制的各个部件

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经过这种似乎有点儿简单粗暴的方式,人称 IceBot 的南极探险机器人概念版就问世了,据说重 6.3 公斤。

看到这里,估计不少人心里都嘀咕着一句“就这”,别急,我们再来看看这款机器人的实际效果。

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小车车上斜坡还挺平稳,也能推开前方的垃圾保持不倒。

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值得注意的是,小车车只是一个雏形,将来进行科考时一定不会是这样的画风。现阶段,研究人员基本上只证明了 IceBot 的两点功能:一是可移动、二是在室温下也不会很快裂开。自然,在 IceBot 实现自我重组、自我复制和自我修复的能力之前,两位科学家还有很多工作要做。

后续能做些什么?

可能会有人觉得这项研究不太可行,但作为出自美国宾夕法尼亚大学 GRASP 实验室的作品,还是值得期待的。

无疑,宾夕法尼亚大学在机器人研究领域根基深厚。

1961 年,美国宾夕法尼亚大学工程院院长 Vijay Kumar 说服通用汽车安装了第一台处理钢锭的机器人,工业机器人由此诞生。

1980 年代,机器人领域的一大突破便是,机器人通过“腿”或轮子,拥有了移动的能力——这一成就正是源于宾夕法尼亚大学 GRASP 实验室。

1979 年,计算机科学与工程领域杰出女性、宾夕法尼亚大学前计算机科学与工程教授兼主席 Ruzena Bajcsy 建立了 GRASP 实验室,其全称是 General Robotics, Automation, Sensing and Perception Laboratory(通用机器人、自动化、传感和感知实验室)。

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【1984 年的 Ruzena Bajcsy(最中间的女性)和实验室成员 】

该实验室是宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院的跨学科学术和研究中心,也是一个领先的机器人孵化器,专注于视觉、感知、控制系统、自动化和机器学习等领域的基础研究。

而此论文的两位作者也值得我们关注,其一是 Devin Carroll 博士,其二则是 Mark Yim。

根据实验室官网信息,Mark Yim 担任着实验室主任一职,其研究兴趣始于模块化机器人,除了自我重新配置和自我组装机器人,他也在研究飞行机器人及相关任务规范。

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最近,就上述研究,IEEE Spectrum 简单采访了 Devin Carroll 博士。Devin Carroll 博士提到,他曾设计过一款帮助生态学家调查森林的有轨电车机器人,发现所面临的挑战不仅是成本——随着时间的推移,自然元素会破坏这类机器人,因此两位科学家开始了用现有材料建造机器人的尝试,最终他们选择了冰。

就未来而言,在机械臂/末端执行器设计方面,他们正在探索的一个想法是:利用电阻丝网局部融化冰块表面,在打算将冰加工成所需的几何形状时,在它和机械臂之间建立临时连接。

短期内的研究重点在于,设计一个模块化关节,保证更容易、安全地连接驱动器和冰,并且尝试利用螺丝孔等连接方法,确保冰块形状不变。

未来这款小车车将有何突破,我们拭目以待。

引用来源:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/space-robots/robots-made-of-ice-could-build-and-repair-themselves-on-other-planets

http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/2114.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=kjfDRQWv0x0

https://www.grasp.upenn.edu/people/mark-yim

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