挖个冰块就能修自己,科学家用「冰」做了辆科考机器车,南极火星都能跑

大数据文摘 · 2021-01-11
冰这种材质的优点显而易见,坚固、易得、容易粘黏调整。并且,冰遍布整个太阳系。

编者按:本文来自微信公众号“大数据文摘”(ID:BigDataDigest),作者:Mickey,36氪经授权发布。

上周,北京低温跌破21世纪最低纪录,达到零下20度。泼水成冰不只是东北的独有景观,北京的小伙伴也体验了一把快乐。

北京日报记者在北京体验泼水成冰 

这周末,青岛海浪被冻住还上了热搜。

作为最常见的物理现象,“冰”是我们身边常见又陌生的材料,做冰屋、刻冰雕,也是人们一直以来喜闻乐见的活动。

不过,在科学家的眼中,冰又有不一样的用途。

最近,来自费城宾夕法尼亚大学GRASP实验室的科学家Devin Carroll和Mark Yim就用“冰”这种材料做了一项有趣的操作——一辆能自己给自己换轮子、修外壳的科考车。

听起来似乎非常炫酷,但文摘菌看到的雏形还是失望了一把。

冰做出的车身非常简陋,身上还背着两块电板👇

虽然看起来个头小,但是动起来还是非常灵活,可以在各种地形行进,进行需要完成的动作。

比如斜坡上行。

或者是推开挡住自己前行的障碍物,继续往前走。

科学家解释称,目前放出的视频中的“迷你冰车”还是个设计雏形,未来,更大的冰车可以承载重要的考察任务,去南极或者火星上进行考察探索。

目前,这一研究论文已经被IROS 2020智能机器人与系统国际峰会(IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems)收录。

论文传送门http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/2114.pdf

科考车为啥要用冰做?

看到这里,你可能和文摘菌一样有个疑问,科考车为啥非要用冰做?说好的先进的太空纳米材料呢?

回答这个问题之前,我们先看看传统的科考车都啥样?

今年七月份,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器的火星车,使用的热控材料是新型保温材料——纳米气凝胶,因为火星表面有稀薄的大气,必须针对这一特殊的太空环境采用新的保温材料。纳米气凝胶很轻,有非常好的隔热性能。此外,火星车还采用了铝蜂窝夹层、铝基碳化硅、复合纤维材料等多种新材料。

这些科考车的外壳虽然坚固轻薄,但是都面临一个很大的问题,坏了之后因为缺乏材料很难修复。

其实,科考车的故障并不会特别复杂,很可能是由于行进过程中的意外障碍磕碰,导致的简单问题。

如果在修理站,稍微修复就能继续使用,但是由于这些机器车不是为维修而设计的,送回修理的费用有很高。并且,即使“火星漫游者”确实有能力在磨损后更换自己的轮子,但这些罕见的复合纤维材料在火星、南极都非常难以获取。所以一旦损坏,即使是微小的问题,这些探索车都很可能被废弃。

因此,寻找必要的材料以保持机器人在极端环境中运行,成为了科考机器车研究者们的重要课题。

过去的这些年,科学家们已经设法很好地解决了电源问题,通常利用太阳能就能保持其动力供给。

虽然不能用太阳能来制造轮子,但是可以用遍布整个太阳系的另一种易得材料制造轮子和其他结构部件——冰。

冰这种材质的优点显而易见,坚固、易得、容易粘黏调整。并且,冰遍布整个太阳系,勘探机器人可以将其用作消耗类结构材料。

“Mark和我开始探索用新型材料建造机器人的想法,以此为在远程或敌对环境中运行的机器人系统增加鲁棒性,其次要目标是降低系统成本,”冰车创始人Carroll称在接受IEEE采访时称,“我们最终确定了冰这种材料。气候变化使许多人对南极和冰盖感兴趣,而美国国家航空航天局(NASA)和其他太空探索团体则在向恒星寻求冰和水。因此,冰是最合逻辑的选择。”

目前,费城宾夕法尼亚大学GRASP实验室已经开始了用冰制造机器车的工作,不过他们也承认,无法用冰制造致动器、电池或其他电子产品,而且冰永远不会像钛、碳纤维或任何其他材料那样高效地用作结构材料。

但是冰可以在很多不同的地方找到,而且冰的修改方式也非常独特-加热可以用来切割和雕刻冰,也非常容易粘合起来。

科考冰车在哪里可以工作?

IROS的论文探讨了使用增材制造和减材制造工艺从冰制造机器人结构部件的不同方法,目的是为能展现“自我重构,自我复制和自我修复”的机器人开发一种概念。” 

那么,什么样的环境可以使用一台科考“冰”车呢?

科学家们假设,这台机器车会在有冰的环境中运行,首先环境温度足够冷以使冰保持稳定,其次,还应足够冷以使机器人产生的热量不会导致结冰。

对于冰材料的打磨雕刻,对比了磨刻、3D打印和CNC加工后,研究小组发现,用钻头切冰是最节能、最有效的方法,不过还是需要找到一种方法处理打磨过程中产生的废水和冰刨花,以防它们在不需要的地方冻结粘连。 

当然,有时重新冻结又是需要的,因为这是执行诸如放置执行器并将一个零件连接到另一零件的操作。

科研小组目前给这台车的定位是:一台在南极进行科考的机器车,重6.3公斤。这是一台手工制作的车体模型,研究人员大多只是希望用这个雏形表明,冰制机器车也可以移动,并且即使在室温下,零件也不会掉落。

科学家称,这台车距离要实现被定义的自我重配置、自我复制和自我修复功能,还有很长的路要走,但研究人员正在研究之中。

比如,制造机器人并将其安全地运送到现场还存在一些复杂问题。“如果我们先建造它,然后将其运送到部署现场,则必须在整个过程中保持低温;而如果我们在部署现场制造,则还必须随系统一起运送制造现场,这会增加与系统相关的总体金钱和能源成本系统。”Carroll称。

出自机器人鼻祖GRASP Lab

研发出这台“冰车”的宾夕法尼亚大学GRASP Lab成立于1979年,是一流的机器人孵化器,专注于视觉、感知、控制系统、自动化和机器学习方面的基础研究。 

1961年,机器人技术走出了科幻小说,进入了现实世界。佩恩工程学院内米罗夫斯基家族院长维杰·库马尔(Vijay Kumar)曾在机械工程和应用力学,计算机与信息科学以及电气与系统工程学系任职,他说服通用汽车安装了第一台机器人来处理当年的钢锭。当年的工业机器人还是些笨拙的机器,必须用螺栓固定在车间。

直到1980年代,工程师首次开始使机器人移动(增加腿部或轮子),让机器人能够完成任务,就是从GRASP Lab开始的。从那时起,“机器人可以进入应用程序,整个世界都有可能成为机器人实验室。”

发展近四十年来,GRASP Lab目前已经成为了专业的机器人研究机构,同时孵化了不少创新机构项目。除了机器科考冰车,GRASP Lab还孵化过带尾双足机器人,从袋鼠老鼠身上汲取了灵感,机器人具有准静态(将尾巴用作支杆)和动态平衡(当尾巴在空中时,机器人可以运行或跳跃但不能站立)的能力,以及敏捷的过渡运动(如跳跃和转弯);康复机器人,价格合理的新型治疗设备-机器人,辅助残疾人士康复训练等。

参考素材:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/space-robots/robots-made-of-ice-could-build-and-repair-themselves-on-other-planets

https://mars.nasa.gov/news/8671/nasas-perseverance-rover-goes-through-trials-by-fire-ice-light-and-sound/

https://www.grasp.upenn.edu/research

https://new.qq.com/omn/20200802/20200802A0L7QK00.html

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