Tuesday, April 17, 2007

擺脫笨重馬達與齒輪 未來機器人行動更自由

從通用汽車(General Moto)廠房裡的固定式電焊機(fixed-in-place welders),到科幻電影《星際大戰》中虛構的R2D2,來自步進馬達(stepper motors)的特殊「咻咻(whirring)」聲幾乎已成為這些機器人共同的特徵。不過,如果Dennis Hong教授的「WSL (whole-skin locomotion)機器人」計畫能夠成功,將改變以上的刻板印象──因為這種新型機器人將不再需要馬達和齒輪等任何傳統機械裝置。

Dennis Hong任教於美國維吉尼亞理工學院與州立大學(Virginia Polytechnic Institute and State University),不久前才獲頒美國國家科學基金會(NSF)提供的、總額40萬美元的傑出青年教授科學研究獎金(Faculty Early Career Development Program Award),讓他得以繼續投入WSL研究計畫。NSF的這個獎項專門頒給富有創新能力、並可望在將來成長為學術界領袖的年輕教授。

創造能在複雜地形行動自如的機器人

Hong表示:「WSL機器人會利用它全部的表面產生的磨擦力來移動,所以稱為“whole-skin locomotion?。如果我的研究計畫能成功,那麼這種移動方式將成為搜救機器人的最佳選擇,因為它可以鑽進倒塌的房屋裏。」

然而WSL計畫要取得成功還有許多困難有待克服。首先,機器人外部皮膚的翻轉需要能夠伸展並收縮成環形的傳統機械制動器。這樣的技術並不是沒有,但仍處於試驗狀態,這進一步提高了WSL研究的難度。

Hong表示:「我們不會考慮馬達、齒輪和滑輪等傳統機械裝置,而且暫時也不會使用導電性聚合物(electroactive polymers,EAP)。導電性聚合物本身就是一個仍處於研究狀態的領域,需要完成更多的改進才能應用於實作。」

第二個大問題是如何將非傳統制動器的收縮和伸展,應用到機器人外皮的循環翻轉運動中。而且組裝也是一個大問題。現有的機器人都在外表裝配了 感測器,這給它們帶來了視覺和聽覺功能,因而能夠避開障礙物並確定正確的移動方向。而如果機器人的外表被卷成了環形,就沒有可以固定感測器的位元置。

Hong指出:「WSL是一種將制動環的伸展和收縮運動轉換為外翻運動的新技術。但難題不僅僅在於它的生產,由於機器人整個表面都在移動,如何裝配感測器和動力系統也是大問題。」

目前的行動機器人幾乎都有輪子、軌道或者腳。當搜救機器人必須穿越複雜的地形時,這些裝置各有長處和缺點。比如要找到被困在倒塌的建築物裏 的人,機器人必須能夠從障礙物的上面、下面或中間穿過,而且還要在狹窄的角落移動。此外機器人的內視鏡(endoscope)必須能夠隨意彎曲,還能擠過 不規則的狹窄空間。

Hong表示:「隨著機器人智慧的演進,以及行動機器人被應用於越來越多的新領域,尋找一種新的行動方式,讓機器人能在複雜而不規則的地形移動變得非常重要。現有的行動方法可以滿足一部份要求,但很難實現所有這些功能。」

「變形蟲(amoebas)」原理

Hong一直想利用變形蟲等單細胞生物的移動原理,這種生物可以通過鞭毛、纖毛或偽足(pseudopods)等器官進行移動。但只有偽足 才適合地面型機器人──它能讓細胞表面的某部份突起,以跨越、穿透或是沿著物體滑行。所以Hong針對如何將偽足原理應用到機器人移動作了初步研究,得出 了所謂的WSL設計方案。

Hong透露:「為了弄清楚變形蟲的運動方式,我們研究了其移動方法的生物學原理,將它的胞質流動原理運用到機器人的移動中,形成了 WSL的概念。」為了以現有的材料實現這一設計,Hong還製作了一個以外置石英韌帶(quartz cords)來驅動環形薄膜的原型機。這個移動的薄膜模仿了變形蟲透過內外翻轉前行的原理。

有了NSF的獎金,Hong表示他將在今後5年裏製作一系列的原型機,不僅要展示如何用一個固體管核心來驅動環形薄膜,還要解決WSL機器人的結構和組裝問題。

第一個原型會於明年初問世,將在固定核心內部採用電動馬達,來驅動不斷翻轉的環形薄膜。同時,Hong的研究小組還將繼續研究EAP和類似 的材料,將之製作成制動環並透過伸展和收縮來向前移動,以用之來取代電動馬達。他們將會在制動環的首尾兩端放置EAP,來推動外表的薄膜,進而驅動機器人 前進。

2008年,Hong的研究小組將製作出第一個採用EAP制動器的原型。之後,他們將試圖解決機器人封裝的問題,以便即使在其外部皮膚運動過程中感測器也能保持固定。

在過去的5年,Hong還曾試圖設立一個科學機構,幫助別人利用非傳統移動方法、感測器和制動器來製作自己的機器人原型。

Hong表示:「由於我們的資金是來自NSF的,所以我們的最終目標並不是要製作一個能夠大規模生產的原型,而是力圖突破科學和技術的界線,因而明白這樣一種新型的移動方法能有什麼樣的作用。」

更多的機器人相關研究

Hong並沒有把所有精力放在WSL上,他還藉助來自不同地方的研究基金,在他位於維吉尼亞理工大學的機器人和機械裝置實驗室(Robotics & Mechanisms Laboratory),進行多項有關其它非傳統移動方式的研究。(實驗室官方網站)

「我們的實驗室正在進行多種新型移動方法的研究,除了上述由NSF贊助的WSL研究計畫,我們的研究項目還包括輪/足混合式機器人、三足機 器人和人形機器人。」Hong表示,在研究階段的另外三種新型行動機器人,包括配備活動軸輻系統(Active Spoke System)的智慧型行動機器人,智慧動力人形機器人(the Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence),以及和自激式三足動力實驗機器人(Self-Excited Tripedal Dynamic Experimental Robot)。

Hong也是維吉尼亞理工大學的智慧足球機器人顧問,該大學的足球機器人代表隊,每年都參與RoboCup國際自動機器人足球賽;他也是 維吉尼亞理工大學VictorTango機器車隊的顧問之一,該團隊即將參加美國國防部高等研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DRAPA)舉辦的機器車挑戰大賽。

此外Hong是NASA Summer Faculty Fellowship獎和美國機械工程師協會/通用汽車的青年學者獎得主,還贏得了ASME機械和機器人會議最佳論文獎。

Dennis Hong
維吉尼亞理工大學Dennis Hong教授與他的機器人

(參考原文:Robots won't walk or whir--they'll ooze)

(R. Colin Johnson)

1 comment:

Kuen Yehliu said...

Virginia Tech is such a great research university. Their engineering school is excellent. It is such a pity that such a big tragedy happened to it.