如果你想将大量机器人送入太空，那么你有两种选择：一种是选择各种形状的全尺寸机器人，二是选择微型模块化机器人。显然，后者更受欢迎。一种模块化机器人，即电影《超能陆战队》（BigHero6）中反派使用的微型磁性机器人，在自我组装和重新配置的能力方面特别有前途。图说：电影中的微型模块化机器人《超能陆战队》（来源：cg99.CN）30多年来，机器人专家一直在追求模块化自重构机器人的愿景。此类机器人在适应性、可扩展性和鲁棒性方面具有显着优势，其应用范围包括太空探索、可重构环境、搜索和救援以及变形用户界面。然而，尽管人们渴望实现快速可靠的部署以将模块化机器人扩展到这些重要领域，但迄今为止制造的模块化机器人仍然面临可扩展性差的巨大挑战。大量笨重、复杂和昂贵的机械零件是不可避免的，这阻碍了其小型化和可扩展性的发展。特别是在太空探索中，在轨建造物体极具挑战性，很可能投入与产出不成正比。此外，国际空间站宇航员的居住环境非常狭窄，空间站的家具必须像俄罗斯方块一样紧凑地摆放在最佳方位。因此，小型化技术非常重要，它可以为宇航员提供更大的机动空间。它还可以降低火箭有效载荷成本。因此，我们迫切需要在体积和大小上都更具可扩展性的架构。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)最近的一项研究使用电磁学来解决可重构机器人的成本和尺寸问题。研究团队从电影《超能陆战队》中获得灵感，创造了一个可以通过排列组合组装成复杂形状的立方体机器人。他们没有将笨重且昂贵的执行器塞入单个模块，而是将小型、易于制造且廉价的电磁铁嵌入到立方体的边缘。这些电磁铁之间的相互排斥和吸引使机器人可以旋转和围绕彼此移动并快速改变形状。被称为“ElectroVoxels”的立方体机器人单边长约60毫米，它们的磁铁由包裹在铜线中的铁氧体磁芯（它们看起来像黑色的小管）组成。每个立方体内部都有微小的印刷电路板和电子设备，它们以正确的方向向电磁铁输送电力。制作一个立方体只需一个多小时，总成本仅为60美分。与需要在两个元件之间进行机械连接的传统铰链不同，ElectroVoxels是完全无线的，不需要专门的物理机制，并且可以在任何一对电磁铁之间动态形成，这使得大型系统的维护和制造变得更加容易。ElectroVoxels是机器人立方体，可以使用电磁铁重新配置，不需要马达或推进剂来移动，并且可以在微重力下运行。那么这样一堆模块是如何交互的呢？为了更好地可视化，科学家们使用了一个软件规划器来可视化重新配置过程并计算潜在的电磁分配。用户只需点击几下即可操纵多达1000个立方体，或使用预定义的脚本对多个连续旋转进行编码。这样的系统将允许用户在合理范围内使用模块，例如改变其速度、突出显示磁铁以及显示必要的动作以避免碰撞。您还可以像魔术师一样改变模块的形状，让它们一会儿变成椅子，一会儿变成沙发。图例：立方体由一把椅子重构为一张桌子、一张沙发，这些廉价的小模块特别适用于微重力环境。因为在这种环境下，任何想要发射入轨的结构都需要在运载火箭内部安装。在空气地板台上进行初步测试后，研究人员进行了微重力飞行测试。借助更好的太空探索工具，例如无推进剂重构或改变航天器的惯性特性，ElextroVoxels发现了真正的失重状态。无推进剂驱动的好处是我们不需要发射额外的燃料进行重新配置，这解决了许多发射质量和体积的挑战。据此，我们可以期待这种可重构的方法可以辅助未来的各种太空探索任务，例如在多次发射期间增强和更换空间结构，使用临时结构来辅助航天器检查和宇航员工作，以及使用未来迭代的立方体作为自排序储存容器。欧洲航天局高级概念团队(ACT)负责人DarioIzzo表示：“ElectroVoxels展示了如何设计一个完全可重构的系统，并向我们的科学界提出了一个挑战，即如何拥有一个功能齐全的模块化机器人系统。这研究展示了电磁驱动旋转立方体的构造、操作和维护的简便性，从而实现了一个灵活、模块化和可重构的系统，这将在未来的探索任务中发挥作用。它将激发智能组件的设计。”就像统一的俄罗斯方块一样，立方体必须遵循一定的顺序才能移动。极化序列由三个步骤组成：发射、移动、捕获，每个步骤都有一个移动立法（用于移动）、一个起点（移动立方体从哪里发射）和一个目的地地面（用于捕获移动立方体）。该软件的用户可以指定向哪个方向旋转哪个立方体，算法会自动计算所需电磁分配（排斥、吸引或关闭）的顺序和地址。未来，模块化机器人的应用场景将从太空转向地面。这将需要对电磁铁进行更详细的建模和优化，以便在地球重力环境中重新配置。ElectroVoxels仍然有缺点，正如卡内基梅隆大学机器人研究所助理教授ZacharyManchester（未参与本研究）所指出的那样，它不会在零重力环境之外工作，尽管ElectroVoxels已经抛物线.飞行试验表明可以模拟微重力。但他们很难聚集足够的力量在地面上机动。研究团队希望能够使立方体足够坚固以抵抗地球引力。这样做，这些机器人将缓解外层空间的恶劣生活条件，使人们能够在地面上进行大规模、可重构的操作。“在建造大型复杂结构时，你当然不希望受到装配人员的可用性和专业知识、车辆的大小或装配现场的环境条件的影响，”主要作者、博士生MartinNisser说。在麻省理工学院。限制。虽然相关公理在地球上适用，但在太空中建造东西可能会变得极其复杂。如果您可以从简单、同质的模块组装结构，就可以消除其中的许多问题。因此，尽管太空环境具有巨大的潜在好处，但矛盾的是，微重力提供的有利动力学实际上也使其中一些问题更容易解决——在太空中，即使是很小的力也可以移动大物体。.通过应用这项技术解决太空中的短期实际问题，我们希望孵化出未来可以在地面上使用的技术。”体积小，却能在太空探索中发挥相当大的作用。
