現(xiàn)代社會(huì)依靠機(jī)器人技術(shù)來發(fā)揮對(duì)工業(yè)制造系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行以及建筑，醫(yī)療保健和運(yùn)輸?shù)绕渌块T至關(guān)重要的各種功能。然而，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵限制是它們僅能夠執(zhí)行一個(gè)重復(fù)任務(wù)，例如從箱中拾取物品并將其放置在傳送帶上或根據(jù)預(yù)設(shè)模式鉆孔。

鑒于這一局限性，新興的自適應(yīng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究人員正在關(guān)注如何使機(jī)器人更具適應(yīng)性 - 并利用機(jī)械工程原理創(chuàng)造能夠重新配置自身以實(shí)現(xiàn)多種不同功能的尖端設(shè)備。例如，用于檢查能源基礎(chǔ)設(shè)施（如海上石油平臺(tái)或風(fēng)力渦輪機(jī)）的多用途無人機(jī)可以配備夾持技術(shù)，使其能夠在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析并在大風(fēng)中進(jìn)行更密切的分析 - 以及防水能力和推進(jìn)技術(shù)使其能夠在海面下進(jìn)行基礎(chǔ)檢查。

那么什么樣的機(jī)械工程技術(shù)和技術(shù)被用作這項(xiàng)工作的一部分？自適應(yīng)機(jī)器人的關(guān)鍵當(dāng)前和潛在應(yīng)用是什么？在未來幾年，我們可以期待在自適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)中使用機(jī)械工程系統(tǒng)的哪些創(chuàng)新和趨勢(shì)？

該領(lǐng)域最近最有趣的舉措之一是在科羅拉多州立大學(xué)（CSU），在那里，一組研究人員創(chuàng)建了許多小型輕型機(jī)器人，能夠根據(jù)不同的用戶要求重新配置自己。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，CSU自適應(yīng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室助理教授趙建國博士解釋說，他在該領(lǐng)域的工作分為三大類，具體取決于所采用的驅(qū)動(dòng)力。

首先是人造肌肉的重新配置，其中包括研究如何利用家用縫紉線制成的低成本人造肌肉來改變給定機(jī)器人的形狀。這導(dǎo)致創(chuàng)建了一個(gè)鏈接，可以移動(dòng)并保持另一個(gè)形狀而無需額外的能量輸入。第二類工作探討了如何利用具有可變剛度的材料來重新配置給定機(jī)器人的功能 - 作為其中的一部分，博士生Jiefeng Sun建造了一種可以實(shí)現(xiàn)多條腿軌跡的自適應(yīng)步行機(jī)器人。

第三類研究如何使用新穎的被動(dòng)機(jī)制使飛行機(jī)器人能夠在墻壁，電線或天花板上棲息。作為其中的一部分，博士生張海杰開發(fā)了一種配備柔順和被動(dòng)抓手的機(jī)器人。盡管有這些明顯的優(yōu)勢(shì)，但趙承認(rèn)，較小的機(jī)器人經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在許多環(huán)境中使用locomote更具挑戰(zhàn)性。為了解決這個(gè)問題，他說最好為他們配備“多種運(yùn)動(dòng)能力”，例如步行，爬行，跳躍或飛行，使用每種功能的專用機(jī)制。

而不是依靠他們的腿，在倒置的位置彎曲他們的整個(gè)身體，點(diǎn)擊甲蟲跳躍。在這個(gè)被稱為“身體屈曲”的階段，昆蟲儲(chǔ)存能量，然后將它釋放到一個(gè)幾乎垂直的跳躍中 - 這個(gè)動(dòng)作也有助于甲蟲自身自我調(diào)整，如果它落入倒置位置。通過調(diào)查生物的物理學(xué)跳過，伊利諾伊州的團(tuán)隊(duì)能夠開發(fā)出一種自動(dòng)自動(dòng)扶正機(jī)器人 - 尤其關(guān)注甲蟲物種之間的比例定律以及昆蟲質(zhì)量比對(duì)其跳躍的影響。

通過使用高速攝像機(jī)拍攝甲蟲，伊利諾伊州的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的跳躍可以分為三個(gè)階段：跳前階段，起飛階段和空降階段。作為跳躍前階段的一部分，昆蟲彎曲身體并通過摩擦保持位置，同時(shí)儲(chǔ)存能量。在仍然與地面接觸的同時(shí)，它通過向上推動(dòng)其質(zhì)心來開始在起飛階段釋放能量。

在隨后的空降階段，隨著單獨(dú)的主體單元圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，它向空中追蹤一個(gè)跟隨彈道運(yùn)動(dòng)的整體軌跡。使用來自活甲蟲視頻的數(shù)據(jù)，Wissa和她的團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了兩種起飛階段和空中階段的動(dòng)態(tài)模型。在起飛階段，該生物也被建模為在鉸接點(diǎn)處被驅(qū)動(dòng)的滑塊 - 曲柄機(jī)構(gòu) - 拉格朗日動(dòng)力學(xué)被用作初步雙質(zhì)量模型的一部分，以模擬由觀察到的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。

即便如此，趙強(qiáng)調(diào)必須克服兩個(gè)主要挑戰(zhàn)才能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)機(jī)器人。首先，需要加快重新配置過程以實(shí)現(xiàn)他所描述的“實(shí)時(shí)重新配置”。CSU機(jī)器人的重新配置過程通常需要幾分鐘才能完成，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)需要加熱和冷卻用于重新配置的組件。這是一個(gè)問題，因?yàn)樵谀承?yīng)用中，例如飛行機(jī)器人的變形機(jī)翼，機(jī)翼需要實(shí)時(shí)改變其形狀以應(yīng)對(duì)各種空氣動(dòng)力學(xué)情況。

其次，趙說研究人員仍然需要為自適應(yīng)機(jī)器人建立一個(gè)基礎(chǔ)和理論框架?！叭绻覀兿胍瓿蓭讉€(gè)所需的配置，我們應(yīng)該如何正確設(shè)計(jì)機(jī)器人以及指定重新配置策略？沒有明確的答案這樣一個(gè)高級(jí)別的問題?！?/p>

為了解決第一個(gè)挑戰(zhàn)，趙解釋說，研究人員可以利用需要更少能量來改變剛度的新材料，例如低熔點(diǎn)合金，它們?cè)谳^低溫度下從剛性狀態(tài)變?yōu)槿彳洜顟B(tài)。為了解決第二個(gè)挑戰(zhàn)，他揭示了學(xué)者可以開發(fā)理論框架來預(yù)測(cè)給定設(shè)計(jì)的所有可能的重新配置，然后“利用計(jì)算模擬來合成設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)所需的配置。”

“展望未來，我認(rèn)為我們將能夠在未來幾年內(nèi)完成具有各種功能的自適應(yīng)機(jī)器人，例如步行，飛行，游泳或攀爬。這可以通過利用大量數(shù)字資料來實(shí)現(xiàn)由3D打印提供，用于自適應(yīng)機(jī)器人的制造和各種機(jī)電一體化組件的小型化 - 例如傳感器，執(zhí)行器和微控制器 - 以及具有異質(zhì)材料的機(jī)械系統(tǒng)的高保真模擬，尤其適用于軟機(jī)器人由軟材料制成，“他補(bǔ)充道。