現(xiàn)在的機(jī)器人，能力究竟有多離譜？

實(shí)在難以想象，就連造飛機(jī)、造火箭都成了小case，它們甚至還能自己造自己！真是出息了。

近日，麻省理工研究人員的一篇論文被發(fā)表在了《自然通訊工程》雜志上。

該文由比特與原子中心（CBA）博士生Amira Abdel-Rahman、教授兼CBA主任Neil Gershenfeld以及其他三人聯(lián)合發(fā)表，他們?cè)趧?chuàng)造機(jī)器人方面取得了重大成果。

論文地址：??https://www.nature.com/articles/s44172-022-00034-3??

據(jù)了解，由Gershenfeld課題組最新研制的機(jī)器人，可以以快速、有效地組裝幾乎任何東西，包括比自己大得多的物體，從車(chē)輛到建筑物再到更大的機(jī)器人等。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)表明，無(wú)論是組裝機(jī)器人還是正在建造的結(jié)構(gòu)部件都可以由相同的子單元組成，而且機(jī)器人可以大量獨(dú)立移動(dòng)，快速完成大規(guī)模組裝。

基于相同結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，這也意味著這款機(jī)器人可以「毫不費(fèi)力」地組裝一款新的自己。

「構(gòu)建自我復(fù)制系統(tǒng)不僅是科學(xué)屆的經(jīng)典挑戰(zhàn)，甚至是科幻文學(xué)中的經(jīng)典挑戰(zhàn)，」德國(guó)布倫瑞克技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的算法學(xué)教授Sandor Fekete表示，「迄今為止，只有大自然真正實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。因此他們的工作是十分振奮人心的！」

小體素的「大夢(mèng)想」

體素是一種十分微小的子單元，相當(dāng)于二維像素的體積元件。與以往的實(shí)驗(yàn)一樣，新系統(tǒng)涉及到由體素陣列構(gòu)建的大型可用結(jié)構(gòu)。

不過(guò)與早期機(jī)械結(jié)構(gòu)的體素不同，Gershenfeld課題組所用的體素更加「復(fù)雜」，可以從一個(gè)單元攜帶電源和數(shù)據(jù)到下一個(gè)單元。

這使建造的結(jié)構(gòu)不僅可以承受負(fù)荷，而且可以進(jìn)行提升、移動(dòng)和操縱材料等工作——甚至包括體素本身。

Gershenfeld介紹說(shuō)，早期版本的組裝機(jī)器人是由一捆捆的電線連接到它們的電源和控制系統(tǒng)，但「我們?yōu)檫@些結(jié)構(gòu)建立起『智能系統(tǒng)』，使體素們能夠傳輸動(dòng)力、數(shù)據(jù)和力量，并不用考慮電線的影響。」

機(jī)器人本身由一串端對(duì)端連接的幾個(gè)體素組成。這些體素可以利用一端的連接點(diǎn)抓住另一個(gè)體素，然后像蠕蟲(chóng)一樣移動(dòng)到所需位置，連接到生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)上并在那里予以釋放。

機(jī)器人路徑優(yōu)化算法，全球首創(chuàng)

Gershenfeld解釋說(shuō)，雖然他的小組成員展示的早期系統(tǒng)原則上可以建造任意大的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)這些結(jié)構(gòu)的大小與裝配機(jī)器人的大小達(dá)到一定程度時(shí)，這個(gè)過(guò)程將變得越來(lái)越?jīng)]有效率，「因?yàn)槊總€(gè)機(jī)器人必須走更長(zhǎng)的路徑，才能將部件帶到目的地。」

而采用他們最新研制的系統(tǒng)后，機(jī)器人可以決定是否建造一個(gè)更大的版本，可以達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，并減少「通勤」時(shí)間。

建造一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)可能需要另一個(gè)這樣的步驟。由新的、更大的機(jī)器人創(chuàng)造出更大的機(jī)器人，而建造精細(xì)細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)可能需要更多最小的機(jī)器人幫助。

Abdel-Rahman表示，當(dāng)這些機(jī)器人設(shè)備致力于組裝東西時(shí)，它們?cè)谘赝镜拿恳徊蕉济媾R選擇。

「它可以建造一個(gè)結(jié)構(gòu)，也可以建造另一個(gè)相同大小的機(jī)器人，還可以建造一個(gè)更大的機(jī)器人。」

「我們則一直致力于為這部分工作創(chuàng)建決策優(yōu)化算法。」 

「例如，如果你想建造一個(gè)圓錐體或半球形，」她說(shuō)，「你如何開(kāi)始路徑規(guī)劃，以及你如何將這個(gè)形狀分為不同的區(qū)域，讓不同的機(jī)器人可以工作？」

而她們開(kāi)發(fā)的軟件允許某人輸入一個(gè)形狀，并得到一個(gè)輸出，基于需要穿越的距離顯示在哪里放置第一個(gè)塊，以及之后的每一塊。

Gershenfeld表示，雖然已經(jīng)有成千上萬(wàn)篇關(guān)于機(jī)器人路線規(guī)劃的論文發(fā)表，「但之后的步驟，即當(dāng)機(jī)器人必須做決定時(shí)，建立另一個(gè)機(jī)器人或不同種類的機(jī)器人，這是全新的工作，并沒(méi)有先例可供參考。」

研究局限性

雖然實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行組裝，并包括電源和數(shù)據(jù)鏈接，但在目前的版本中，微小的子單元之間的連接器仍然不夠堅(jiān)固，無(wú)法承受必要的負(fù)載。該團(tuán)隊(duì)的研究生Miana Smith，正致力于開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大的連接器。

Gershenfeld說(shuō)：「這些機(jī)器人可以行走，可以放置零件，但是我們還沒(méi)有達(dá)到這樣的地步：一個(gè)機(jī)器人制造另一個(gè)機(jī)器人，然后它就走了。」

「想要將這種情況變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，還需要一些新興技術(shù)的支持，例如執(zhí)行器的力量和關(guān)節(jié)的強(qiáng)度等。」

MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)家Neil Gershenfeld

Gershenfeld還表示，一個(gè)完全自主的自我復(fù)制機(jī)器人組裝系統(tǒng)，既能組裝更大的結(jié)構(gòu)，包括更大的機(jī)器人，又能規(guī)劃最佳的施工順序——這可能還需要幾年時(shí)間。

但這項(xiàng)工作已經(jīng)朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了重要的一步，包括解決何時(shí)建造更多的機(jī)器人、制造多大的機(jī)器人的復(fù)雜任務(wù)，以及如何組織不同大小的機(jī)器人來(lái)有序地建造一個(gè)結(jié)構(gòu)。

從飛機(jī)到火箭，新技術(shù)應(yīng)用潛力巨大

該項(xiàng)成果應(yīng)用潛力巨大，因?yàn)樗芸赡鼙挥脕?lái)建造各種大型、高價(jià)值的結(jié)構(gòu)。

例如，現(xiàn)在在制造飛機(jī)時(shí)首先需要一個(gè)巨大的工廠，工廠甚至比他們建造的部件大得多，另外還可能經(jīng)常需要其他飛機(jī)來(lái)運(yùn)送制造飛機(jī)所需要的原材料。

而有了這樣一個(gè)由微型機(jī)器人組裝的微小部件系統(tǒng)，「飛機(jī)的最終組裝將成為唯一的組裝過(guò)程」，Gershenfeld表示。

同樣，在生產(chǎn)汽車(chē)時(shí)，當(dāng)?shù)谝惠v車(chē)被真正制造出來(lái)前，「你可能會(huì)花一年時(shí)間來(lái)制造配套工具」，他說(shuō)，然而新系統(tǒng)的出現(xiàn)顯然將繞過(guò)這個(gè)過(guò)程。

這種潛在的效率是Gershenfeld和他的學(xué)生一直與汽車(chē)公司、航空公司和航空航天局密切合作的原因。

即使是技術(shù)含量相對(duì)較低的建筑業(yè)，也很可能在未來(lái)從這項(xiàng)技術(shù)中受益。

近些年，人們對(duì)3D打印房屋的興趣越來(lái)越大，但如今這些房屋需要的打印機(jī)器，與正在建造的房屋一樣大或更大。使用這種微型機(jī)器人顯然可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。

休斯頓大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系副教授Aaron Becker對(duì)這項(xiàng)工作給予了最高規(guī)格的評(píng)價(jià)，并將其稱為「本壘打」：

「他們創(chuàng)造了一個(gè)創(chuàng)新的硬件系統(tǒng)，一個(gè)思考擴(kuò)展機(jī)器人群的新方法，以及一套嚴(yán)格的算法。」

「這篇論文研究了可重構(gòu)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：如何快速擴(kuò)大機(jī)器人勞動(dòng)力的規(guī)模，并利用它來(lái)有效地將材料組裝成所需的結(jié)構(gòu)。」

「這是我第一次看到這樣的工作！」