《超能陆战队》中能任意变形的微型机器人大家都知道吧？俄罗斯方块都玩过吧？

今天要说的这个机器人跟这两种机器人有异曲同工之妙。

最近，麻省理工学院比特和原子中心 (CBA) 的研究人员在制造机器人方面取得了重大进展。据称，这些机器人可以实际且经济地组装几乎任何东西，包括比它们本身大得多的东西，从车辆到建筑物再到更大的机器人。

这项新工作建立在多年研究的基础上，直到最近的研究表明，可变形的飞机机翼和功能性赛车等物体可以由相同的微小轻型部件组装而成，而机器人可以建造设备来执行其中的一些组装工作。

现在，该团队已经证明，组装机器人和正在建造的结构的组件都可以由相同的子单元组成，并且机器人可以大量独立移动以快速完成大规模组装。该项研究以论文“Self-replicating hierarchical modular robotic swarms”为题发表在《自然通信工程》杂志上。

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

▍新系统——建造“更大”的自己

可重构组件组成的模块化机器人系统给传统单片机器人提供了高效和通用的替代方案。然而，随着模块化系统的扩大，施工效率会因运行时间的增加和路径规划的复杂而降低。针对这项难题，研发团队想到了一个新的解决办法——离散模块化材料机器人系统。

与早期纯粹的机械结构件不同，新系统体素（相当于二维像素的体积等效物）的微小相同子单元阵列构建的大型可用结构，它能够串行、递归(制造更多的机器人)和分层(制造更大的机器人)组装。

简单来说，就是每个体素都可以将能量和数据从一个单元传输到另一个单元。这可以使建造的结构不仅可以承受载荷，还可以进行工作，例如提升、移动和操纵材料——包括体素本身。

模块化构建块和组装器

构成结构机器人系统基础的活动体素是立方八面体 (Cuboct) 单元格，它具有优越的结构性能，如低密度高刚度和适合机器人组装和制造的几何特征。

每个体素由醛面板与印刷电路板(PCB)基板叠层形成，组装完成的体素就形成了一个101.6毫米(4英寸)的立方体，重65克，有效密度为0.062克/立方厘米的晶格，每个面对面的连接可以传输8 A在10 V和50 N的拉力。

在完成了机器人的模块化构建后，就来到了机器人自我复制和层次结构的问题。

最简单的运载模式如图，机器人使用两个抓手导航到底层体素晶格结构。带有夹具的附加肘关节允许机器人操纵体素以重新配置晶格结构。该机器人能够以每个时间步长 1 体素的速度携带单个体素或执行器。

虽然这种设计构成了机器人组装机的基本单元，但模块化系统和格兼容连接既可以通过基础组装机构建额外的组装机，也可以自我复制生产更大的机器人，形成组装机的层次结构。

机器人复制的算法受到两个要求的约束。首先，新机器人组装后必须能够自由移动。虽然这个要求看起来微不足道，但由于磁性连接的性质，它排除了在格子基板上构建平面并随后将完成的机器人提升到位。

为了克服这个问题，机器人由一个底座构建而成，该底座由一个控制体素和能够锚定到格子上的抓手组成。其次，机械手只能直接操纵机器人构造套件的三个组件：基础体素、控制和动力体素以及肘关节。

手腕和抓手模块都设计为直接连接到自由体素面上。为了实现这一点，搬运机器人首先拿起前三部分类型中的一种，然后操作将手腕和夹具连接到底座部件，然后在配件的过程中放置在组件中。

夹持器具有电气接口，因此包括肘部、手腕和夹持器在内的致动器可以由装配人员控制。

机器人自我复制和层次结构

这是一组装配机器人的概念图，设计用于携带边长分别为 1、2 和 4 的体素立方体。较大的设计保持尺蠖结构，同时采用四杆连杆组件使多个致动器能够在单个自由度上并行动作。

这些早期研究表明，当H增加时，执行器的数量以 2 倍的比例缩放，而机器人元件的总数以 2.5 的比例缩放，由于较大晶格结构的定制稀疏性，低于 3 的几何缩放比例。通过探索尺蠖配置之外的其他形态，可能会在驱动和结构效率方面获得额外收益。

当机器人建成后，目标结构的建造就开始了。在实验中，研发团队开发了一个模拟环境，模拟了圆锥体群构造的完整过程。

上图示例建筑工地，较小的机器人在拾取位置附近构建分层构建块，供较大的机器人拾取并将它们放置在最终目的地。

▍目标：完全自主&自我复制

谈及此次升级后的新系统，研发人员表示，虽然团队成员展示的早期系统原则上可以构建任意大的结构，但随着这些结构的大小相对于装配机器人的大小达到一定程度，该过程将变得越来越低效，因为每个机器人必须经过更长的路径才能将每件作品带到目的地。

有了新系统，机器人可以决定是时候建造一个更大版本的自己，可以到达更远的距离并减少旅行时间。

不过，虽然实验系统可以进行组装并包括电源和数据链路，但在当前版本中，微型子单元之间的连接器强度不足以承受必要的负载。目前团队现在正专注于开发更强大的连接器。

“这些机器人可以行走，也可以放置零件，”团队的研究人员Gershenfeld 说。未来，此类系统可用于构建各种大型、高价值的结构。例如，飞机的子系统和机身、地震超材料、汽车装配线等等。

这项工作得到了 NASA、美国陆军研究实验室和 CBA 财团的资助。

相关报道：https://news.mit.edu/2022/assembler-robots-structures-voxels-1122