变形金刚 ?机器人群可以变成楼宇、车辆及其他东西

租用服务器Q78664972 2个月前 (12-03) IDC资讯 27 0
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CBA的研究人员已研制出了四种类型的新型子单元,名为体素(2D图片像素上的3D变种)。
变形金刚 ?机器人群可以变成楼宇、车辆及其他东西-第1张图片-新之洲IDC资讯从左到右依次是:刚性(灰色)、柔顺(紫色)、拉胀(橙色)和手性(蓝色)

这些子单元可以自动组装以制作庞大的复杂物件,包括汽车、机器人或风力涡轮机叶片。
麻省理工学院(MIT)比特和原子研究中心(CBA)的研究人员已研制出微小的构造模块,这些模块拥有众多独特的机械特性,比如受到挤压后可以扭曲。这些子单元可以由微型机器人组装成几乎无限数量的具有内置功能的物件,包括汽车、大型工业零部件或可以重复重新组装成不同形状的专用机器人。
研究人员研制出了四种类型的新型子单元,名为体素。每种体素都具有典型的自然材料所不具备的特殊属性,可以一起用来制造以可预测的方法来响应环境刺激的设备。比如包括飞机机翼或涡轮叶片:只需改变它们的总体形状,就可以响应气压或风速的变化。
2020年11月18日在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表的一篇论文详细介绍了研制出一系列不同的“机械超材料”,论文作者是麻省理工学院的博士毕业生Benjamin Jenett、Neil Gershenfeld教授以及另外四个人。



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Amory Lovins是斯坦福大学土木与环境工程学的兼职教授,兼落基山研究所的创始人,他与这项研究工作毫无关系。他说:“这种出色、基础而精妙的合成体有望彻底改变超轻盈材料节约型结构的成本、可定制性和实用功效。”
超材料因大规模特性不同于其组成材料的微观特性而得名。它们被用于电磁领域,并被用作“结构化”材料,它们是在微结构的层面设计而成的。Gershenfeld说:“然而,研制超材料具有的宏观机械特性方面还没有开展太多的工作。”
Gershenfeld表示,借助这种方法,工程师应该能够建造具有众多材料特性的结构,并使用同样的制造和组装流程来制作这些结构。
体素由注塑聚合物的扁平元素组装而成,然后混合成三维形状,可以连接成更大的实用结构。它们基本上是开放区域,因此组装后呈现出极其轻盈但又刚性的框架。除了基本的刚性单元(出色地结合了强度和轻盈)外,还有另外三种的体素,每种有不同的独特属性。
“拉胀”体素具有一种奇特的属性:一旦被压缩,材料的小方块实际向内凸起,而不是在侧面凸出来。这首次演示了通过传统的廉价制造方法所生成的这种材料。
此外,还有“柔顺”体素,泊松比为零,这有点类似拉胀特性,不过在这里,材料被压缩后,边缘根本不会改变形状。很少有已知的材料具有这种特性,现在通过这种新方法可以生成具有这种特性的材料。
最后,“手性”体素可以通过扭曲来响应轴向压缩或拉伸。这同样是不同寻常的特性;通过复杂的制造工艺生产这种材料的研究去年被誉为是重大发现。这项工作使得庞大尺寸的物件轻松拥有这项特性。
Gershenfeld说:“我们展示的每一种材料特性之前都属于各自的研究领域。仅仅发现这样一种属性,就值得撰写研究论文。这是单单一个系统中具有所有这些特性的首项研究。”
为了演示用这些量产的体素像搭乐高那样制造的大物件在现实世界大有潜力,研究团队与丰田公司的工程师合作,共同制造了一项实用的超里程赛车,今年早些时候他们在一次全球机器人大会上在赛道上进行了演示。



Jenett表示,他们能够在短短一个月内组装成这种轻盈的高性能结构,而采用传统的玻璃纤维建造方法来建造同样的结构之前花了一年的时间。
在比赛过程中,赛道下雨后容易打滑,这辆赛车最终撞上了障碍物。令在场的所有人感到震惊的是,赛车的格子状内部结构发生了变形,随后弹了回去,吸收了冲击,几乎毫发未损。Jenett表示,如果采用钢制,传统制造的汽车可能会严重凹陷,或者如果采用复合材料,可能会撞碎。
赛车例子生动地表明了这一事实:这些小零部件的确可以用来制作庞大的实用设备。而且Gershenfeld指出,在汽车结构中,“这些不是与其他部件相连接的零部件。除了电动机和电源系统外,整辆赛车都是用这些零部件组成的。”
由于体素的尺寸和成分一致,因此它们常常可以以任何方法加以结合,为因而获得的整个设备提供不同功能。Gershenfeld说:“我们可以结合之前被认为非常专门的各种材料特性。这么做的目的是,您不必选择一种特性。比如说,您可以制作在一条路线中弯曲,而在另一个路线中不变,完全以特定的方法来行进的机器人。因此,与我们之前的研究工作相比最大的变化是,这有望结合诸多机械材料特性,而以前这些特性被认为是孤立的。”
Jenett完成了这项研究工作的大部分,作为其博士论文的基础。他说:“这些零部件价格低廉,制造简单,而且组装起来非常快,您还可以在一个系统中就能获得这么多的特性。这些特性彼此很搭,因此有众多类型的独特特性,不过它们在同一个可扩展的廉价系统中彼此相得益彰。”
Greshenfeld说:“想想汽车、机器人、轮船和飞机中的所有刚性零部件和活动部件。我们还能够让一个系统就涵盖所有这些特性。”
Jenett说,一个关键因素是用一种体素做成的结构会表现出与该子单元本身一模一样的行为方式。“我们能够演示这点,如果您将零部件组合在一起,接合件实际上消失了。它用起来就像是连续的整体式材料。”
Gershenfeld表示,虽然机器人研究往往分为硬性机器人和软性机器人,但“这项研究却两者都不是”,这是由于有望在单单一个设备中混合搭配这些特性。
Jenett表示,这种技术有许多潜在的早期应用,其中之一可能是用于建造风力发电机的叶片。随着这些结构变得更庞大,将叶片运输到施工现场成了一个重大的操作问题,而如果它们由数千个微小的子单元组装而成,组装工作就可以在现场完成,因而消除了运输问题。与之相仿,由于涡轮叶片的庞大尺寸和缺乏可回收性,废弃涡轮叶片的处置已经变成了严重问题。然而由微型体素做成的叶片可以在现场拆卸,然后这些体素可重新用于制造别的东西。
此外,叶片本身也可能更高效,因为叶片可能具有混合的机械特性,旨在使叶片可以动态地响应风力强度的变化。
总之,Jenett说:“现在我们有了这个低成本可扩展的系统,因此我们可以根据自己的需求来进行设计。我们可以做四足机器人,可以做游泳机器人,可以做飞行机器人。这种灵活性是系统的主要优势之一。”
斯坦福大学的Lovins表示,这种技术“有望做出廉价、坚固、特别轻盈的航空飞行器表面,可被动地不断优化其形状,就像鸟翅一样。此外,它还可以使汽车的空载质量更接近有效载荷,因为它们的防撞结构变成了以空气为主。它甚至可以让抗压强度使无氦真空气球可以在大气中漂浮的球形外壳的净载荷可以达到大型喷气式飞机的几十倍。”
他补充道:“与仿生学和集成设计一样,这种新型的细胞状超材料是一种强大的新工具,可以帮助我们少花钱多办事。”


文章来源: 云头条

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