現(xiàn)代社會依靠機器人技術(shù)來發(fā)揮對工業(yè)制造系統(tǒng)的平穩(wěn)運行以及建筑，醫(yī)療保健和運輸?shù)绕渌块T至關(guān)重要的各種功能。然而，大多數(shù)機器人的關(guān)鍵限制是它們僅能夠執(zhí)行一個重復(fù)任務(wù)，例如從箱中拾取物品并將其放置在傳送帶上或根據(jù)預(yù)設(shè)模式鉆孔。
鑒于這一局限性，新興的自適應(yīng)機器人領(lǐng)域的研究人員正在關(guān)注如何使機器人更具適應(yīng)性 - 并利用機械工程原理創(chuàng)造能夠重新配置自身以實現(xiàn)多種不同功能的尖端設(shè)備。例如，用于檢查能源基礎(chǔ)設(shè)施（如海上石油平臺或風(fēng)力渦輪機）的多用途無人機可以配備夾持技術(shù)，使其能夠在結(jié)構(gòu)上進行分析并在大風(fēng)中進行更密切的分析 - 以及防水能力和推進技術(shù)使其能夠在海面下進行基礎(chǔ)檢查。
那么什么樣的機械工程技術(shù)和技術(shù)被用作這項工作的一部分？自適應(yīng)機器人的關(guān)鍵當(dāng)前和潛在應(yīng)用是什么？在未來幾年，我們可以期待在自適應(yīng)機器人技術(shù)中使用機械工程系統(tǒng)的哪些創(chuàng)新和趨勢？
1.重構(gòu)
該領(lǐng)域最近最有趣的舉措之一是在科羅拉多州立大學(xué)（CSU），在那里，一組研究人員創(chuàng)建了許多小型輕型機器人，能夠根據(jù)不同的用戶要求重新配置自己。作為項目負責(zé)人，CSU自適應(yīng)機器人實驗室助理教授趙建國博士解釋說，他在該領(lǐng)域的工作分為三大類，具體取決于所采用的驅(qū)動力。
首先是人造肌肉的重新配置，其中包括研究如何利用家用縫紉線制成的低成本人造肌肉來改變給定機器人的形狀。這導(dǎo)致創(chuàng)建了一個鏈接，可以移動并保持另一個形狀而無需額外的能量輸入。
第二類工作探討了如何利用具有可變剛度的材料來重新配置給定機器人的功能 - 作為其中的一部分，博士生Jiefeng Sun建造了一種可以實現(xiàn)多條腿軌跡的自適應(yīng)步行機器人。
第三類研究如何使用新穎的被動機制使飛行機器人能夠在墻壁，電線或天花板上棲息。作為其中的一部分，博士生張海杰開發(fā)了一種配備柔順和被動抓手的機器人。
為了實現(xiàn)這種自適應(yīng)機器人，趙先生表示他采用了一系列尖端的機械工程技術(shù)，包括機械和機械設(shè)計，計算機輔助設(shè)計，增材制造（3D打?。\動學(xué)和動力學(xué)建模，有限元分析和機電一體化。一個例子是微型步行機器人，該團隊使用多材料3-D打印創(chuàng)建，這種技術(shù)能夠在單個部件中打印軟質(zhì)和剛性材料。
“在這個機器人中，我們使用柔軟的材料作為柔性旋轉(zhuǎn)接頭，并使用剛性材料作為連桿。在這種情況下，我們可以將機器人的身體和四條腿作為單個部件打印而無需組裝，”他說。
“此外，為了分析這種機器人的行為，我們建立了運動學(xué)和動力學(xué)模型來預(yù)測腿部軌跡，并將它們與實驗結(jié)果進行比較。最后，我們使用一個帶有微控制器和無線通信的嵌入式系統(tǒng)來控制機器人“。
在趙的看來，與較大和較重的機器人相比，這種類型的小型機器人具有許多優(yōu)點。例如，他們能夠訪問和導(dǎo)航大型機器人無法進入的狹窄或狹窄的環(huán)境。據(jù)他介紹，它們也可以使用增材制造以更低的成本制造。
盡管有這些明顯的優(yōu)勢，但趙承認，較小的機器人經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在許多環(huán)境中使用locomote更具挑戰(zhàn)性。為了解決這個問題，他說最好為他們配備“多種運動能力”，例如步行，爬行，跳躍或飛行，使用每種功能的專用機制。
“然而，將幾個具有單獨動作的專用機構(gòu)打包成小尺寸是一項挑戰(zhàn)，而且傳感，計算和控制也要求更高。在這種情況下，不是每個功能的專用機制，一個新穎的解決方案是啟用自適應(yīng)機器人可以根據(jù)需要重新配置自己，“他說。
2.咔嗒甲蟲（Click beetles）
在其他地方，伊利諾伊大學(xué)的一組研究人員正在對咔嗒甲蟲（Click beetles）的運動進行開創(chuàng)性的研究，以激發(fā)更靈活和適應(yīng)性更強的機器人。作為這項工作的一部分，該團隊在阿貢國家實驗室的先進質(zhì)子源上使用同步輻射X射線來研究昆蟲的內(nèi)部閂鎖或快速釋放機制，并展示了鉸鏈形態(tài)和力學(xué)的組合如何促進獨特點擊機制。
正如伊利諾伊大學(xué)香檳分校機械科學(xué)與工程系助理教授兼生物啟發(fā)自適應(yīng)形態(tài)學(xué)實驗室負責(zé)人Aimy Wissa解釋的那樣，該研究建立在研究點擊甲蟲無腿自動扶正機制的基礎(chǔ)之上。。作為這項練習(xí)的一部分，該團隊已經(jīng)構(gòu)建了一個鉸鏈?zhǔn)綇椈杉虞d設(shè)備的原型，這些設(shè)備被整合到一個機器人中。
而不是依靠他們的腿，在倒置的位置彎曲他們的整個身體，點擊甲蟲跳躍。在這個被稱為“身體屈曲”的階段，昆蟲儲存能量，然后將它釋放到一個幾乎垂直的跳躍中 - 這個動作也有助于甲蟲自身自我調(diào)整，如果它落入倒置位置。通過調(diào)查生物的物理學(xué)跳過，伊利諾伊州的團隊能夠開發(fā)出一種自動自動扶正機器人 - 尤其關(guān)注甲蟲物種之間的比例定律以及昆蟲質(zhì)量比對其跳躍的影響。
“很快我們意識到點擊甲蟲屬于一類使用'功率放大'運動策略的生物 - 他們使用彈性儲存元件來儲存能量并以比肌肉更快的速度釋放它。我對使用它的可能性感興趣這種驅(qū)動策略可以設(shè)計出更靈活的小型機器人，可以從跌落中恢復(fù)，并且能夠快速操縱，“Wissa說。
通過使用高速攝像機拍攝甲蟲，伊利諾伊州的團隊發(fā)現(xiàn)他們的跳躍可以分為三個階段：跳前階段，起飛階段和空降階段。作為跳躍前階段的一部分，昆蟲彎曲身體并通過摩擦保持位置，同時儲存能量。在仍然與地面接觸的同時，它通過向上推動其質(zhì)心來開始在起飛階段釋放能量。
在隨后的空降階段，隨著單獨的主體單元圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，它向空中追蹤一個跟隨彈道運動的整體軌跡。使用來自活甲蟲視頻的數(shù)據(jù)，Wissa和她的團隊還開發(fā)了兩種起飛階段和空中階段的動態(tài)模型。
在起飛階段，該生物也被建模為在鉸接點處被驅(qū)動的滑塊 - 曲柄機構(gòu) - 拉格朗日動力學(xué)被用作初步雙質(zhì)量模型的一部分，以模擬由觀察到的旋轉(zhuǎn)和平移運動。
“這些運動策略可用作機器人和農(nóng)業(yè)等應(yīng)用的新驅(qū)動技術(shù)的靈感，”Wissa說。
“隨著機器人在我們的日常生活中無處不在，他們將被要求成為自適應(yīng)任務(wù)。同一平臺將需要扮演不同的角色。例如，相同的無人機[無人駕駛飛行器或無人機]將需要攜帶有效載荷因此，在未來幾年內(nèi)，適應(yīng)性結(jié)構(gòu)或能夠使其形狀和功能適應(yīng)不同興奮劑的結(jié)構(gòu)將變得更加重要，“她補充道。
3.多功能機器人
趙預(yù)測，小型自適應(yīng)機器人將有許多有希望的應(yīng)用，從“環(huán)境監(jiān)測和軍事監(jiān)視，到災(zāi)區(qū)搜索和救援”。他還希望小尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和經(jīng)濟的生產(chǎn)，開辟了為特定利基應(yīng)用部署它們的可能性，并“自動形成移動傳感器網(wǎng)絡(luò)并協(xié)同工作以完成特定任務(wù)”。
即便如此，趙強調(diào)必須克服兩個主要挑戰(zhàn)才能實現(xiàn)自適應(yīng)機器人。首先，需要加快重新配置過程以實現(xiàn)他所描述的“實時重新配置”。CSU機器人的重新配置過程通常需要幾分鐘才能完成，因為團隊需要加熱和冷卻用于重新配置的組件。這是一個問題，因為在某些應(yīng)用中，例如飛行機器人的變形機翼，機翼需要實時改變其形狀以應(yīng)對各種空氣動力學(xué)情況。
其次，趙說研究人員仍然需要為自適應(yīng)機器人建立一個基礎(chǔ)和理論框架。“如果我們想要完成幾個所需的配置，我們應(yīng)該如何正確設(shè)計機器人以及指定重新配置策略？沒有明確的答案這樣一個高級別的問題。“
為了解決第一個挑戰(zhàn)，趙解釋說，研究人員可以利用需要更少能量來改變剛度的新材料，例如低熔點合金，它們在較低溫度下從剛性狀態(tài)變?yōu)槿彳洜顟B(tài)。為了解決第二個挑戰(zhàn)，他揭示了學(xué)者可以開發(fā)理論框架來預(yù)測給定設(shè)計的所有可能的重新配置，然后“利用計算模擬來合成設(shè)計以實現(xiàn)所需的配置。”
“展望未來，我認為我們將能夠在未來幾年內(nèi)完成具有各種功能的自適應(yīng)機器人，例如步行，飛行，游泳或攀爬。這可以通過利用大量數(shù)字資料來實現(xiàn)由3D打印提供，用于自適應(yīng)機器人的制造和各種機電一體化組件的小型化 - 例如傳感器，執(zhí)行器和微控制器 - 以及具有異質(zhì)材料的機械系統(tǒng)的高保真模擬，尤其適用于軟機器人由軟材料制成，“他補充道。
