这种新型“生长型机器人”可以程序性地向不同方向进行生长并延伸：通过“生长点”或变齿轮箱传送，将链条间的各元件进行锁定和推动，完成其伸展过程。 （图片来源：课题研究员，麻省理工新闻部编辑）
在今天的工厂和仓库中，机器人呼啸而过的身影随处可见，将物品或工具从一个站点运送到另一个站点。在大多数情况下，机器人可以在开放式布局中轻松地完成行进路线。但在狭窄的空间中面对一些任务时，则要困难得多，例如从杂乱的货架后获取物品，或者将汽车引擎内的油盖拧开。
目前，麻省理工学院（MIT）的工程师们已经开发出一种机器人，实现了柔韧和坚实的结合：它可以延伸出一个链状的附肢，既能够足够灵活，根据需要进行弯曲和改变形状；又能够具有足够的刚性，承受沉重的负载，或施加扭矩在狭窄的空间中完成组装零件的任务。当一个任务完成后，机器人可以将附肢收回，并在下一个任务中，根据情况再次延伸出所需的长度和形状。
附肢的设计灵感来自于植物的生长方式。比如植物将营养物以液态的形式运输到植物顶端。在那里，它们被转化为固态，一点一点地形成支撑茎。
同样，机器人由“生长点”或齿轮箱组成，它将松散的链条收回，齿轮箱中的齿轮将链条各元件锁在一起，作为一个刚性附肢，逐段地伸展出去。
研究人员在近日举行的IEEE国际智能机器人与系统大会（IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，IROS）上，展示了这款以植物为灵感的“生长机器人”。他们设想可以在机器人的齿轮箱上安装抓取器，摄像头和其他传感器，使其能够柔韧地穿过飞机的推进系统并拧紧松动的螺钉，或者在不影响周围库存摆放以及其他进行中的任务的情况下，取到货架上的物品。
麻省理工学院机械工程学教授Harry Asada说道：“想象一下汽车换油的情景，当你打开发动机顶盖后，所需的工具必须要足够灵活，可以穿过左右两边的急转弯到达机油滤清器，同时又要足够坚硬，可以拧开机油滤清器盖，将其卸下。”
负责这项工作的严同喜，曾是浅田实验室的研究生，他说道：“现在，我们有了一个有潜力完成这些任务的机器人，它可以生长、收缩，并根据周围环境，再次生长为不同的形状。”
该团队还包括麻省理工学院的研究生Emily Kamienski和访问学者Seiichi Teshigawara，他们在会议上展示了研究结果。
图片来源于研究论文
临门一脚
新机器人的设计是Asada在解决“最后一英尺问题”工作中的一个意外收获。“最后一英尺问题”是一个工程术语，是指机器人任务或探索性任务的最后一步或最后一英尺。虽然机器人可能大部分时间都穿梭在开放空间中，但其任务的最后一步可能涉及到它在更紧凑、更复杂的空间中是否有更加灵活的行动力和完成任务的能力。
工程师们已经针对最后一英尺问题设计了各种概念和原型，包括由柔软的气球状材料制成的机器人。这种材料可以像藤蔓一样“生长”，通过狭窄的缝隙。但是Asada表示，这种柔软的可伸缩机器人不够坚固，当机器人攀爬到目的地后，不足以支撑“末端执行器”或执行任务所必需的附加组件，例如抓取器，照相机和其他传感器。
福特基金会工程学教授Asada说：“我们的解决方案实际上并没用柔软的材料，而是巧妙地使用了刚性材料，让它具有柔韧性。”
链式连接
研究团队明确了应用这一植物生长特点的元素后，便试图在一个可扩展的机器人上模拟这个过程。Asada说：“机器人的实现过程与真实的植物完全不同，但它在某种抽象层面上展现了同样的功能。”
图片来源：Unsplash
研究人员设计了一个齿轮箱来代表机器人的“生长顶端”，类似于植物的顶芽，随着越来越多的营养涌向该部位，顶端将不断形成坚硬的茎。在齿轮箱中，它们安装了一个由齿轮和马达组成的系统，该系统用于拉动“液态物质”，也就是机器中由3D打印，相互连接的塑料元件所组成的柔韧链条，类似自行车链条。
当链条注入齿轮箱中，它会转动曲柄，曲柄通过第二套马达系统，将链条上的一部分元件与其相邻的元件锁在一起，在传送出齿轮箱的过程中形成了一段刚性的附肢。
研究人员可以对机器人进行编程，将特定的元件锁定在一起，而其他元件则保持解锁状态，以形成特定的形状，或朝某些特定方向“生长”。在实验中，他们能够对机器人进行编程，使其在“生长”或延伸过程中绕过障碍物。
严指出：“它可以锁定不同位置的元件，以实现各种程度的弯曲，并具有广泛的运动范围。”
当链条被锁定并且是刚性状态时，它的强度足以支撑一磅重的物体。研究人员表示，如果将抓取器连接到机器人的生长顶端或齿轮箱上，那么机器人将可以延伸至一定程度，灵活地穿过狭窄的空间，然后施加足够的扭矩旋松一个螺栓或拧开一个盖子。
Kamienski认为，自动化汽车维修，是机器人可以协助完成的一个很好的例子：“引擎盖下方的空间虽然相对开阔，但最后一步，必须要绕过引擎部分才能到达机油滤清器，这是固定机器手臂无法到达的角度，而类似这样的任务，‘生长型机器人’可以助人一臂之力。”
作者：Jennifer Chu
翻译：王嘉媛
审校/编辑：李光昭
引进来源：MIT News
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