從通用汽車公司生產(chǎn)車間里的固定式焊接機(jī)器人，到《星球大戰(zhàn)》中的R2D2，幾乎所有機(jī)器人都采用了步進(jìn)馬達(dá)。但是，如果Dennis Hong教授的整體移動(dòng)機(jī)器人計(jì)劃能夠成功，這一切都將改變，因?yàn)樗_(kāi)發(fā)的WSL機(jī)器人將不再需要馬達(dá)和齒輪等任何傳統(tǒng)設(shè)備。
美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)最近將40萬(wàn)美元的青年教授杰出科研基金獎(jiǎng)?lì)C給了弗吉尼亞理工大學(xué)教授Hong，讓他繼續(xù)推進(jìn)這個(gè)WSL研究計(jì)劃。NSF的這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)專門頒給那些它認(rèn)為富有創(chuàng)新能力并有望在將來(lái)成長(zhǎng)為學(xué)術(shù)帶頭人的年輕教授。
Hong說(shuō)：“WSL機(jī)器人會(huì)利用全部表面來(lái)進(jìn)行移動(dòng)，所以稱為‘整體移動(dòng)’。如果我的計(jì)劃能成功，那么整體移動(dòng)將成為搜救機(jī)器人的最佳選擇，因?yàn)樗梢詽B透到倒塌的房屋里面去?！?
但是，WSL計(jì)劃要取得成功將困難重重。首先，外部皮膚的翻轉(zhuǎn)需要能夠伸展并收縮成環(huán)形的傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)器。這樣的技術(shù)也不是沒(méi)有，但也仍處于試驗(yàn)狀態(tài)，這進(jìn)一步加大了WSL研究的難度。
Hong說(shuō)：“我們不會(huì)考慮馬達(dá)、齒輪和滑輪等傳統(tǒng)機(jī)械組件，而且暫時(shí)也不會(huì)使用電活性聚合物。電活性聚合物本身就是一個(gè)仍處于研究狀態(tài)的領(lǐng)域，需要完成更多的改進(jìn)才能應(yīng)用于實(shí)踐?！?
第二個(gè)大問(wèn)題是如何將非傳統(tǒng)制動(dòng)器的收縮和伸展應(yīng)用到機(jī)器人外表面的循環(huán)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中。而且，封裝也是一個(gè)大問(wèn)題?，F(xiàn)有的機(jī)器人都在外表裝配了傳感器，這給它們帶來(lái)了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)功能，從而能夠避開(kāi)障礙物并確定正確的移動(dòng)方向。而如果機(jī)器人的外表被卷成了環(huán)形，就沒(méi)有可以固定傳感器的位置。
Hong說(shuō)：“WSL是一種將制動(dòng)環(huán)的伸展和收縮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為外翻運(yùn)動(dòng)的新技術(shù)。但難題不僅僅在于它的制作，由于機(jī)器人整個(gè)表面都在移動(dòng)，裝配傳感器和動(dòng)力系統(tǒng)也是大問(wèn)題。”
當(dāng)前的機(jī)器人幾乎都有輪子、軌道或者足。當(dāng)搜救機(jī)器人必須穿越復(fù)雜的地形時(shí)，這些裝置都各有長(zhǎng)處和缺點(diǎn)。比如，要找到被困在倒塌的建筑物里的人，機(jī)器人必須能夠從障礙物的上面、下面或中間駛過(guò)，而且還要在狹窄的角落里移動(dòng)。相似的，機(jī)器人內(nèi)窺鏡則必須能夠隨意彎曲，還能擠過(guò)不規(guī)則的狹窄空間。
Hong說(shuō)：“隨著機(jī)器人智能技術(shù)的改進(jìn)，以及移動(dòng)式機(jī)器人被用于越來(lái)越多的新領(lǐng)域，尋找一種新的移動(dòng)方式，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜而無(wú)規(guī)則的地形中移動(dòng)變得至關(guān)重要。現(xiàn)有的移動(dòng)方法可以滿足一部分要求，但很難實(shí)現(xiàn)所有這些功能?！?
變形蟲的原理
Hong一直想利用變形蟲等單細(xì)胞組織生物的移動(dòng)原理，這種生物可以通過(guò)鞭毛、纖毛或偽足等進(jìn)行移動(dòng)。但是，只有偽足才適合地面型機(jī)器人-它在細(xì)胞表面某部分突起，從物體上面、旁邊或中間滲透過(guò)去。所以，Hong就如何將偽足原理應(yīng)用到機(jī)器人移動(dòng)作了初步研究，得出了所謂的整體移動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。
Hong透露，“為了弄清楚變形蟲的運(yùn)動(dòng)方式，我們研究了其移動(dòng)方法的生物學(xué)原理，將它的胞質(zhì)流動(dòng)原理運(yùn)用到機(jī)器人的移動(dòng)中，形成了整體移動(dòng)的概念?！睘榱艘袁F(xiàn)有的材料實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，Hong制作了一個(gè)以外置石英帶來(lái)驅(qū)動(dòng)環(huán)形薄膜的原型。這個(gè)移動(dòng)的薄膜模仿了變形蟲通過(guò)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)來(lái)前行的原理。
有了NSF的獎(jiǎng)金，Hong表示他將在今后五年里制作一系列的原型，不僅要展示如何用一個(gè)固體管內(nèi)核來(lái)驅(qū)動(dòng)環(huán)形薄膜，還要解決WSL機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和封裝問(wèn)題。
第一個(gè)原型會(huì)于明年年初問(wèn)世，將在固定內(nèi)核內(nèi)部采用電動(dòng)馬達(dá)，來(lái)驅(qū)動(dòng)不斷翻轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜。同時(shí)，Hong的研究小組還將繼續(xù)研究EAP和類似的材料，將之制作成制動(dòng)環(huán)并通過(guò)伸展和收縮來(lái)向前移動(dòng)，以用之來(lái)取代電動(dòng)馬達(dá)。他們將會(huì)在制動(dòng)環(huán)的首尾兩端放置EAP，來(lái)推動(dòng)外表的薄膜，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。
2008年，Hong的研究小組將制作出第一個(gè)采用EAP制動(dòng)器的原型。之后，他們將試圖解決機(jī)器人封裝的問(wèn)題，以便即使在其外部皮膚運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳感器也能保持固定。
在過(guò)去的5年，Hong曾試圖建立一個(gè)科學(xué)機(jī)構(gòu)，幫助別人利用非傳統(tǒng)移動(dòng)方法、傳感器和制動(dòng)器來(lái)制作自己的機(jī)器人原型。
Hong表示：“由于我們的資金是來(lái)自國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的，所以我們的最終目標(biāo)并不是要制作一個(gè)能夠大規(guī)模生產(chǎn)的原型，而是力圖突破科學(xué)和技術(shù)的界線，從而明白這樣一種新型的移動(dòng)方法能有什么樣的作用。”
未來(lái)研究
但是，Hong并沒(méi)有把所有精力都放在了WSL上。他還獲得了多項(xiàng)資助，目前正在弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)器人和機(jī)械裝置實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多項(xiàng)有關(guān)其它非傳統(tǒng)移動(dòng)方式的研究。
Hong說(shuō)：“我們正在實(shí)驗(yàn)室研究多種新型的移動(dòng)方法。除了這項(xiàng)由NSF贊助的WSL研究計(jì)劃，我們還在研究輪-足混合式機(jī)器人、三足機(jī)器人和人形機(jī)器人?！盚ong在研究的另外三種新型機(jī)器人包括帶活動(dòng)輪輻系統(tǒng)的智能移動(dòng)機(jī)器人，智能動(dòng)態(tài)人形機(jī)器人和自激勵(lì)三足動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人。
Hong是弗吉尼亞理工大學(xué)智能足球機(jī)器人的顧問(wèn)，該大學(xué)的足球機(jī)器人每年都參加RoboCup，這是一項(xiàng)國(guó)際性的自動(dòng)機(jī)器人足球賽事。他還是弗吉尼亞理工大學(xué)VictorTango機(jī)器車隊(duì)的顧問(wèn)之一，該隊(duì)即將參加國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署舉辦的機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽。
Hong是NASA Summer Faculty Fellowship獎(jiǎng)和美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)/通用汽車的青年學(xué)者獎(jiǎng)的得主，還贏得了ASME機(jī)械和機(jī)器人會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)。
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