擺脫傳統(tǒng)設(shè)備束縛，“整體移動”機器人開發(fā)受重視

從通用汽車公司生產(chǎn)車間里的固定式焊接機器人，到《星球大戰(zhàn)》中的R2D2，幾乎所有機器人都采用了步進馬達。但是，如果Dennis Hong教授的整體移動機器人計劃能夠成功，這一切都將改變，因為他所開發(fā)的WSL機器人將不再需要馬達和齒輪等任何傳統(tǒng)設(shè)備。
美國國家科學(xué)基金會（NSF）最近將40萬美元的青年教授杰出科研基金獎頒給了弗吉尼亞理工大學(xué)教授Hong，讓他繼續(xù)推進這個WSL研究計劃。NSF的這個獎項專門頒給那些它認為富有創(chuàng)新能力并有望在將來成長為學(xué)術(shù)帶頭人的年輕教授。
Hong說：“WSL機器人會利用全部表面來進行移動，所以稱為'整體移動'。如果我的計劃能成功，那么整體移動將成為搜救機器人的最佳選擇，因為它可以滲透到倒塌的房屋里面去。”
但是，WSL計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)機械制動器。這樣的技術(shù)也不是沒有，但也仍處于試驗狀態(tài)，這進一步加大了WSL研究的難度。
Hong說：“我們不會考慮馬達、齒輪和滑輪等傳統(tǒng)機械組件，而且暫時也不會使用電活性聚合物。電活性聚合物本身就是一個仍處于研究狀態(tài)的領(lǐng)域，需要完成更多的改進才能應(yīng)用于實踐。”
第二個大問題是如何將非傳統(tǒng)制動器的收縮和伸展應(yīng)用到機器人外表面的循環(huán)翻轉(zhuǎn)運動中。而且，封裝也是一個大問題。現(xiàn)有的機器人都在外表裝配了傳感器，這給它們帶來了視覺和聽覺功能，從而能夠避開障礙物并確定正確的移動方向。而如果機器人的外表被卷成了環(huán)形，就沒有可以固定傳感器的位置。
Hong說：“WSL是一種將制動環(huán)的伸展和收縮運動轉(zhuǎn)換為外翻運動的新技術(shù)。但難題不僅僅在于它的制作，由于機器人整個表面都在移動，裝配傳感器和動力系統(tǒng)也是大問題。”
當(dāng)前的機器人幾乎都有輪子、軌道或者足。當(dāng)搜救機器人必須穿越復(fù)雜的地形時，這些裝置都各有長處和缺點。比如，要找到被困在倒塌的建筑物里的人，機器人必須能夠從障礙物的上面、下面或中間駛過，而且還要在狹窄的角落里移動。相似的，機器人內(nèi)窺鏡則必須能夠隨意彎曲，還能擠過不規(guī)則的狹窄空間。
Hong說：“隨著機器人智能技術(shù)的改進，以及移動式機器人被用于越來越多的新領(lǐng)域，尋找一種新的移動方式，使機器人能夠在復(fù)雜而無規(guī)則的地形中移動變得至關(guān)重要。現(xiàn)有的移動方法可以滿足一部分要求，但很難實現(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胞組織生物的移動原理，這種生物可以通過鞭毛、纖毛或偽足等進行移動。但是，只有偽足才適合地面型機器人－它在細胞表面某部分突起，從物體上面、旁邊或中間滲透過去。所以，Hong就如何將偽足原理應(yīng)用到機器人移動作了初步研究，得出了所謂的整體移動的設(shè)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(xué)原理，將它的胞質(zhì)流動原理運用到機器人的移動中，形成了整體移動的概念。”為了以現(xiàn)有的材料實現(xiàn)這一設(shè)計，Hong制作了一個以外置石英帶來驅(qū)動環(huán)形薄膜的原型。這個移動的薄膜模仿了變形蟲通過內(nèi)外翻轉(zhuǎn)來前行的原理。
有了NSF的獎金，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固體管內(nèi)核來驅(qū)動環(huán)形薄膜，還要解決WSL機器人的結(jié)構(gòu)和封裝問題。
第一個原型會于明年年初問世，將在固定內(nèi)核內(nèi)部采用電動馬達，來驅(qū)動不斷翻轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜。同時，Hong的研究小組還將繼續(xù)研究EAP和類似的材料，將之制作成制動環(huán)并通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(huán)的首尾兩端放置EAP，來推動外表的薄膜，進而驅(qū)動機器人前進。
2008年，Hong的研究小組將制作出第一個采用EAP制動器的原型。之后，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傳感器也能保持固定。
在過去的5年，Hong曾試圖建立一個科學(xué)機構(gòu)，幫助別人利用非傳統(tǒng)移動方法、傳感器和制動器來制作自己的機器人原型。
Hong表示：“由于我們的資金是來自國家科學(xué)基金會的，所以我們的最終目標并不是要制作一個能夠大規(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方法能有什么樣的作用。”
未來研究
但是，Hong并沒有把所有精力都放在了WSL上。他還獲得了多項資助，目前正在弗吉尼亞理工大學(xué)的機器人和機械裝置實驗室進行多項有關(guān)其它非傳統(tǒng)移動方式的研究。
Hong說：“我們正在實驗室研究多種新型的移動方法。除了這項由NSF贊助的WSL研究計劃，我們還在研究輪－足混合式機器人、三足機器人和人形機器人。”Hong在研究的另外三種新型機器人包括帶活動輪輻系統(tǒng)的智能移動機器人，智能動態(tài)人形機器人和自激勵三足動態(tài)實驗機器人。
Hong是弗吉尼亞理工大學(xué)智能足球機器人的顧問，該大學(xué)的足球機器人每年都參加RoboCup，這是一項國際性的自動機器人足球賽事。他還是弗吉尼亞理工大學(xué)VictorTango機器車隊的顧問之一，該隊即將參加國防高級研究計劃署舉辦的機器車挑戰(zhàn)大賽。
Hong是NASA Summer Faculty Fellowship獎和美國機械工程師協(xié)會/通用汽車的青年學(xué)者獎的得主，還贏得了ASME機械和機器人會議最佳論文獎。