身形千变万化：MIT 开发出太空探索神器“模块化自重构微型机器人”

如果你想将一大批机器人送入太空，那么你面临两种选择：一是选择全尺寸的、形态各异的机器人，二是选择微型模块化机器人。显然，后者是更优选。如电影《超能陆战队》(Big Hero 6) 中大反派所使用的微型磁力机器人就是一种模块化机器人，它们在自组装和重构方面的能力尤有前景。

30 多年来，机器人专家一直在追求模块化的自重构机器人这一愿景。这种机器人在适应性、可扩展性和鲁棒性方面具有显著优势，其应用领域涵盖太空探索、可重构环境、搜索救援以及形变的用户界面。然而，尽管人们雄心勃勃地希望实现快速、可靠的部署，将模块化机器人扩展到这些重要领域，但迄今为止制造出来的模块化机器人仍面临着可扩展性较差的巨大挑战。

大量体积庞大、复杂且昂贵的机械部件不免显得笨拙，阻碍了其小型化和可扩展性的发展。尤其是在太空探索中，在轨道上建造物体颇具挑战性，很可能投入和产出不成正比。再者，宇航员在国际空间站的生活环境非常狭窄，不得不将空间站的家具像俄罗斯方块一样以最佳朝向紧凑放置，因此小型化技术非常重要，它可以为宇航员提供更多的机动空间，也可降低火箭有效载荷成本。因此，我们迫切需要在数量上和尺寸上都更具可扩展性的架构。

近日，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 的一项研究利用电磁解决了可重构机器人在造价和尺寸方面的问题。

研究团队从电影《超能陆战队》中汲取部分灵感，创造了一种可以通过排列组合组装成复杂形状的立方体形机器人。他们将小型、易于制造且价格低廉的电磁铁嵌入立方体的边缘，而非将笨重昂贵的执行器塞进单个模块中。这些电磁体之间的相互排斥和吸引作用，使得机器人能够彼此旋转和移动，并迅速改变形状。

这种立方体机器人被命名为“ElectroVoxels”，单个边长约为 60 毫米，磁铁由用铜线包裹的铁氧体磁芯（它们看起来像黑色的小管子）组成。每个立方体内部都有微型印刷电路板和电子器件，能将电流输送到正确方向的电磁铁上。制作一个立方体只需一个多小时，总成本仅为 60 美分。

传统铰链需要在两个元件之间进行机械连接，而 ElectroVoxels 与此不同，它是完全无线的，不需要专门的物理机制，可以在任何电磁铁对之间动态地形成，这使得大型系统的维护和制造变得更加容易。

▲ ElectroVoxels 是一种可使用电磁体进行重构的机器人立方体。它不需要电机或推进剂来移动，并且可以在微重力环境下运行

那么这样一堆模块是如何交互的呢？为了更好地可视化，科学家们使用了一种软件规划器来对重构这一过程进行可视化并计算底层的电磁分配。用户只需要点击几下，即可操作多达 1000 个立方体，或者使用预定义的脚本来对多个连续旋转进行编码。这样一种系统可以让用户在合理范围内随心玩转模块，比如你可以改变其速度，突显磁铁，以及将必要的动作显示出来以避免碰撞。你还可以如魔术师一般变换模块的形状，让它们能够在某一时刻呈现为一把椅子，随即又变为一张沙发。

▲ 图注：立方体从椅子重构为桌子、沙发

这些成本廉价的小模块尤其适合微重力环境。因为在这种环境下，任何你想要发射到轨道上的结构都需要安装在发射火箭内。在气浮台上进行初步测试后，研究者进行了微重力飞行测试，借助更好的空间探索工具如无推进剂重构或改变航天器惯性特征，ElextroVoxels 发现了真正的失重状态。

无推进剂驱动的好处在于，我们无需再为重构发射额外的燃料，从而解决了发射质量和体积方面的许多挑战。据此，我们可以期待，这种可重构方法能够协助未来各种各样的太空探索工作，比如在多次发射中增强和替换空间结构，利用临时结构来协助航天器检查和航天员工作，以及运用未来迭代出的立方体作为自分拣存储容器。

欧洲航天局高级概念团队（ACT）负责人 Dario Izzo 谈道：

“ElectroVoxels 展示了如何设计一个完全可重构的系统，并给我们科学界提出了一个需要解决的挑战，即如何在太空轨道上拥有一个功能齐全的模块化机器人系统。这项研究示范了电磁驱动的旋转立方体在建造、操作和维护方面的便捷性，实现了一个灵活、模块化且可重构的系统，这在未来探索任务中会给智能组件的设计带来灵感。”

就像均匀的俄罗斯方块一样，立方块要想移动，就必须遵循一个序列。一个极化序列（polarization sequence）包含三个步骤：发射、移动、捕捉，每个阶段都分别有一个行进的立法体（用于移动）、一个起点（行进的立方体进行发射的地方）和一个目的地（捕获行进的立方体）。该软件的用户可以指定哪一个立方体在哪一方向上进行旋转，而算法会自动计算出所需的电磁分配的顺序和地址（排斥、吸引或关闭）。

在未来，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，以便在地球的重力环境中进行重新配置。ElectroVoxels 仍存有不足之处，如卡内基梅隆大学机器人研究所助理教授 Zachary Manchester 指出的（他没有参与这项研究），它在零重力环境之外会不起作用，尽管 ElectroVoxels 已经在抛物线飞行的测试中表明可以模拟微重力。但它们在地面上很难聚集足够的力进行回旋。

研究团队希望能够使立方体足够坚固以抵抗地球引力，如此，这些机器人将会缓解外太空的不利生活条件，允许人们在地面上建立大规模、可重构的操作。该研究论文的主要作者、麻省理工学院的博士生 Martin Nisser 表示：

“在建造大型复杂结构时，你肯定不希望受到组装人员的可用性和专业知识、运输工具的大小或组装场地的不利环境条件的限制。虽然相关公理在地球上是成立的，但在太空中建造东西时会变得异常复杂。如果你能用简单的、同质的模块来组装结构，那么就可以消除很多类似问题。因此，尽管太空环境具有显著的潜在好处，但矛盾的是，微重力提供的有利动力使得其中一些问题实际上也更容易解决 —— 在太空中，即使是微小的力也能让让大的物体进行移动。通过应用这项技术来解决太空中的短期实际问题，我们有望孵化出未来在地面上也可使用的技术。”

ElectroVoxels 并非一个单一用途的机器人，小型的模块可以组合在一起，构建具有各种功能和类型的结构。体积虽小，却可在太空探索方面发挥相当大的作用。

参考来源：

https://news.mit.edu/2022/robotic-cubes-electrovoxels-shapeshift-outer-space-0223

https://hcie.csail.mit.edu/research/Electrovoxel/electrovoxel.html

https://www.popsci.com/technology/selfspace-robot-cubes/

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