麻省理工團隊研發“生長機器人”：可擠入縫隙執行任務

　　機器人在如今的工廠和倉庫中已經變得越來越常見。從開始固定在制造業的流水線上的機械臂，到物流領域的快遞分揀機器人，它們可以四處游走，將物品或工具從一個工作站送到另一個工作站。通常情況下，機器人在已經了解的空間布局中可以輕松地導航尋路，但是如果讓它們在狹小雜亂的空間里來執行諸如拿取架子后面的物品，或在汽車發動機零件上擰開一些螺絲、油蓋之類的任務，還是十分困難的。

　　但最近，麻省理工學院的工程師們開發出了一種新型機器人，這款機器人的鏈狀附件設計可以向外延伸很長并且足夠靈活，以便讓機器人能夠扭曲和轉動至任何需要的角度，同時又具有足夠的剛性來支撐較重的負載或施加扭矩，以在狹窄的空間中組裝零件。更為重要的是，任務完成后，機器人可以收回附件，并能以不同的長度和形狀再次重構伸出以適應下一個任務需求。

　　該鏈狀附件的設計靈感來自于植物的生長方式，其中涉及植物如何以流化形式將營養物質輸送到自我體內的頂端。在植物不斷生長的“頭部”，流化營養物質被轉化為固體材料，以便逐漸支撐莖的長高。

　　同樣，這款機器人由“生長點”或齒輪箱組成，它把一個松散的連鎖塊鏈拉進盒子里。盒子里的齒輪把鏈條單元鎖在一起，然后把鏈條作為一個剛性附屬物再一個單元一個單元地向外遞出。

　　MIT 的研究人員在上周于澳門舉行的 IEEE 國際智能機器人與系統大會（IROS 2019）上介紹了這款受植物啟發的“生長機器人”。他們設想可以在機器人的齒輪箱上安裝抓手、攝像頭和其他傳感器，使它能夠在飛機的推進系統中漫游，去擰緊一個松動的螺絲或者把抓手伸到貨架上拿取東西，在不影響周圍其他的設備或物品的情況下完成各種任務。

　　解決“臨門一腳”的問題

　　這款新型機器人的設計出自麻省理工學院機械工程學教授 Harry Asada 的實驗室，它是 Asada 解決各種場景下最后“臨門一腳”問題的分支內容。“臨門一腳”問題指的是機器人任務或者探索性行為的最后一步操作，雖然機器人可能會把大部分時間花在穿越開放性空間上，但其任務的最后一步可能要在更緊湊、更復雜的空間中進行靈活性要求更高的工作，以便完成任務。

　　Harry Asada 說：“當他在考慮更換車內機油的時候，發現打開發動機頂蓋之后，必須要有足夠靈活的工具才能夠到機油濾清器的位置，然后還要足夠堅固來扭轉機油濾清器蓋以便將其卸下。這促使我有了研究新款機器人設計的想法。”

　　負責該機器人設計工作的 Tongxi Yan，也是從 Asada 實驗室畢業的研究生，他表示：“現在我們有了一個可以完成這些任務的機器人，它可以生長、收縮，以及再生長成不同的形狀，來適應不同的工作環境。”研究團隊還包括了麻省理工學院的研究生 Emily Kamienski 和訪問學者 Seiichi Teshigawara，他們在澳門的會議上共同介紹了該成果。

　　此前，已經有其他工程師設計出了各種概念和原型來解決不同場景下“臨門一腳”的問題，包括由柔軟的氣球狀材料制成的機器人，這些材料也會像藤蔓一樣生長，可以擠過狹窄的縫隙。但 Tongxi Yan 表示這種柔性可擴展機器人不夠堅固，不足以支持“末端執行器”或附加組件，如抓手、相機和其他傳感器等，而這些設備都是執行任務所必需的。

　　Harry Asada 表示，他們的新型機器人很好地平衡了這個問題，他說：“該解決方案實際上并不是軟的，而是巧妙地使用了剛性材料來進行組合。”

(來源：MIT News)

　　奇特的鏈環設計

　　當 MIT 的研究團隊確定了植物生長的一般功能要素之后，他們就試圖在可擴展機器人領域上模仿出一般意義上的機器式“植物”生長。Asada 說：“實際上，機器人的實現與現實的植物完全不同，但它在一定的抽象水平上卻展現出相同的功能。”

　　研究團隊設計了一個齒輪箱來代表機器人的“生長尖端”，類似于植物的萌芽。在那里，隨著更多的營養物質流向該部位，植物尖端會輸送出更堅硬的莖干。而在盒子里，他們安裝了一個由齒輪和馬達組成的系統，該系統的作用是拉起一種流化的材料：一個由 3D 打印出的塑料單元相互連接而成的彎曲序列，類似于自行車的鏈條。

　　當鏈條被送進盒子時，它會轉動絞盤，絞盤再通過第二套馬達將鏈條上的某些部件與相鄰的部件鎖在一起。這樣一來，鏈條在被送出盒子時就形成了一個剛性附件。

　　研究人員還可以對機器人進行編程，以便某一部分單元鎖定在一起，而其他單元則保持解鎖狀態，這樣可以形成特定的形狀或讓其只在某些方向上“生長”。在實驗中，他們對機器人編程以使其繞著障礙物從自己的基座向外延伸，并在擴展時扭轉自己延伸出的“手臂”。

　　“它可以被鎖定在不同的地方，以不同的方式彎曲，并具有廣闊的運動范圍。”Tongxi Yan 說，“如果鏈條是鎖緊的，并且是剛性的，那么其強度足以支撐一磅重的物體。如果在機器人的生長尖端或變速箱上安裝一個夾具，那它就有可能在狹窄的空間里蜿蜒成長，然后再施加足夠的扭矩來擰松一個螺栓或打開一個蓋子。”

　　根據另一名 MIT 研究生 Kamienski 的說法，汽車維護是該機器人可以協助完成工作的一個很好的例子。“引擎蓋下的空間是相對開放的，但如果要進行操作，人們必須要繞過引擎或其他組件才能到達機油濾清器等要處理的位置。一個固定的手臂是不能繞過它的，而這個機器人可以做到類似的事情。”