現(xiàn)代社會依靠機器人技術來發(fā)揮對工業(yè)制造系統(tǒng)的平穩(wěn)運行以及建筑，醫(yī)療保健和運輸?shù)绕渌块T至關重要的各種功能。然而，大多數(shù)機器人的關鍵限制是它們僅能夠執(zhí)行一個重復任務，例如從箱中拾取物品并將其放置在傳送帶上或根據(jù)預設模式鉆孔。
鑒于這一局限性，新興的自適應機器人領域的研究人員正在關注如何使機器人更具適應性 - 并利用機械工程原理創(chuàng)造能夠重新配置自身以實現(xiàn)多種不同功能的尖端設備。例如，用于檢查能源基礎設施（如海上石油平臺或風力渦輪機）的多用途無人機可以配備夾持技術，使其能夠在結構上進行分析并在大風中進行更密切的分析 - 以及防水能力和推進技術使其能夠在海面下進行基礎檢查。
那么什么樣的機械工程技術和技術被用作這項工作的一部分？自適應機器人的關鍵當前和潛在應用是什么？在未來幾年，我們可以期待在自適應機器人技術中使用機械工程系統(tǒng)的哪些創(chuàng)新和趨勢？
該領域最近最有趣的舉措之一是在科羅拉多州立大學（CSU），在那里，一組研究人員創(chuàng)建了許多小型輕型機器人，能夠根據(jù)不同的用戶要求重新配置自己。作為項目負責人，CSU自適應機器人實驗室助理教授趙建國博士解釋說，他在該領域的工作分為三大類，具體取決于所采用的驅(qū)動力。
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器人的形狀。這導致創(chuàng)建了一個鏈接，可以移動并保持另一個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建造了一種可以實現(xiàn)多條腿軌跡的自適應步行機器人。
第三類研究如何使用新穎的被動機制使飛行機器人能夠在墻壁，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抓手的機器人。盡管有這些明顯的優(yōu)勢，但趙承認，較小的機器人經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在許多環(huán)境中使用locomote更具挑戰(zhàn)性。為了解決這個問題，他說最好為他們配備“多種運動能力”，例如步行，爬行，跳躍或飛行，使用每種功能的專用機制。
而不是依靠他們的腿，在倒置的位置彎曲他們的整個身體，點擊甲蟲跳躍。在這個被稱為“身體屈曲”的階段，昆蟲儲存能量，然后將它釋放到一個幾乎垂直的跳躍中 - 這個動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)查生物的物理學跳過，伊利諾伊州的團隊能夠開發(fā)出一種自動自動扶正機器人 - 尤其關注甲蟲物種之間的比例定律以及昆蟲質(zhì)量比對其跳躍的影響。
通過使用高速攝像機拍攝甲蟲，伊利諾伊州的團隊發(fā)現(xiàn)他們的跳躍可以分為三個階段：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，同時儲存能量。在仍然與地面接觸的同時，它通過向上推動其質(zhì)心來開始在起飛階段釋放能量。
在隨后的空降階段，隨著單獨的主體單元圍繞質(zhì)心旋轉，它向空中追蹤一個跟隨彈道運動的整體軌跡。使用來自活甲蟲視頻的數(shù)據(jù)，Wissa和她的團隊還開發(fā)了兩種起飛階段和空中階段的動態(tài)模型。在起飛階段，該生物也被建模為在鉸接點處被驅(qū)動的滑塊 - 曲柄機構 - 拉格朗日動力學被用作初步雙質(zhì)量模型的一部分，以模擬由觀察到的旋轉和平移運動。
即便如此，趙強調(diào)必須克服兩個主要挑戰(zhàn)才能實現(xiàn)自適應機器人。首先，需要加快重新配置過程以實現(xiàn)他所描述的“實時重新配置”。CSU機器人的重新配置過程通常需要幾分鐘才能完成，因為團隊需要加熱和冷卻用于重新配置的組件。這是一個問題，因為在某些應用中，例如飛行機器人的變形機翼，機翼需要實時改變其形狀以應對各種空氣動力學情況。
其次，趙說研究人員仍然需要為自適應機器人建立一個基礎和理論框架?！叭绻覀兿胍瓿蓭讉€所需的配置，我們應該如何正確設計機器人以及指定重新配置策略？沒有明確的答案這樣一個高級別的問題?！?/p>
為了解決第一個挑戰(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，例如低熔點合金，它們在較低溫度下從剛性狀態(tài)變?yōu)槿彳洜顟B(tài)。為了解決第二個挑戰(zhàn)，他揭示了學者可以開發(fā)理論框架來預測給定設計的所有可能的重新配置，然后“利用計算模擬來合成設計以實現(xiàn)所需的配置。”
“展望未來，我認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機器人，例如步行，飛行，游泳或攀爬。這可以通過利用大量數(shù)字資料來實現(xiàn)由3D打印提供，用于自適應機器人的制造和各種機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)材料的機械系統(tǒng)的高保真模擬，尤其適用于軟機器人由軟材料制成，“他補充道。
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