編譯丨Ailleurs
編輯丨陳彩娴
如果你想将一大批機器人送入太空，那麼你面臨兩種選擇：一是選擇全尺寸的、形态各異的機器人，二是選擇微型子產品化機器人。顯然，後者是更優選。如電影《超能陸戰隊》(Big Hero 6)中大反派所使用的微型磁力機器人就是一種子產品化機器人，它們在自組裝和重構方面的能力尤有前景。
圖注：電影《超能陸戰隊》中的微型子產品化機器人（圖源：cg99.CN）
30多年來，機器人專家一直在追求子產品化的自重構機器人這一願景。這種機器人在适應性、可擴充性和魯棒性方面具有顯著優勢，其應用領域涵蓋太空探索、可重構環境、搜尋救援以及形變的使用者界面。然而，盡管人們雄心勃勃地希望實作快速、可靠的部署，将子產品化機器人擴充到這些重要領域，但迄今為止制造出來的子產品化機器人仍面臨着可擴充性較差的巨大挑戰。
大量體積龐大、複雜且昂貴的機械部件不免顯得笨拙，阻礙了其小型化和可擴充性的發展。尤其是在太空探索中，在軌道上建造物體頗具挑戰性，很可能投入和産出不成正比。再者，宇航員在國際空間站的生活環境非常狹窄，不得不将空間站的家具像俄羅斯方塊一樣以最佳朝向緊湊放置，是以小型化技術非常重要，它可以為宇航員提供更多的機動空間，也可降低火箭有效載荷成本。是以，我們迫切需要在數量上和尺寸上都更具可擴充性的架構。
近日，麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室 (CSAIL) 的一項研究利用電磁解決了可重構機器人在造價和尺寸方面的問題。
研究團隊從電影《超能陸戰隊》中汲取部分靈感，創造了一種可以通過排列組合組裝成複雜形狀的立方體形機器人。他們将小型、易于制造且價格低廉的電磁鐵嵌入立方體的邊緣，而非将笨重昂貴的執行器塞進單個子產品中。這些電磁體之間的互相排斥和吸引作用，使得機器人能夠彼此旋轉和移動，并迅速改變形狀。
這種立方體機器人被命名為“ElectroVoxels”，單個邊長約為 60 毫米，磁鐵由用銅線包裹的鐵氧體磁芯（它們看起來像黑色的小管子）組成。每個立方體内部都有微型印刷電路闆和電子器件，能将電流輸送到正确方向的電磁鐵上。制作一個立方體隻需一個多小時，總成本僅為 60 美分。
傳統鉸鍊需要在兩個元件之間進行機械連接配接，而ElectroVoxels與此不同，它是完全無線的，不需要專門的實體機制，可以在任何電磁鐵對之間動态地形成，這使得大型系統的維護和制造變得更加容易。
ElectroVoxels 是一種可使用電磁體進行重構的機器人立方體。它不需要電機或推進劑來移動，并且可以在微重力環境下運作
那麼這樣一堆子產品是如何互動的呢？為了更好地可視化，科學家們使用了一種軟體規劃器來對重構這一過程進行可視化并計算底層的電磁配置設定。使用者隻需要點選幾下，即可操作多達1000個立方體，或者使用預定義的腳本來對多個連續旋轉進行編碼。這樣一種系統可以讓使用者在合理範圍内随心玩轉子產品，比如你可以改變其速度，突顯磁鐵，以及将必要的動作顯示出來以避免碰撞。你還可以如魔術師一般變換子產品的形狀，讓它們能夠在某一時刻呈現為一把椅子，随即又變為一張沙發。
圖注：立方體從椅子重構為桌子、沙發
這些成本廉價的小子產品尤其适合微重力環境。因為在這種環境下，任何你想要發射到軌道上的結構都需要安裝在發射火箭内。在氣浮台上進行初步測試後，研究者進行了微重力飛行測試，借助更好的空間探索工具如無推進劑重構或改變航天器慣性特征，ElextroVoxels發現了真正的失重狀态。
無推進劑驅動的好處在于，我們無需再為重構發射額外的燃料，進而解決了發射品質和體積方面的許多挑戰。據此，我們可以期待，這種可重構方法能夠協助未來各種各樣的太空探索工作，比如在多次發射中增強和替換空間結構，利用臨時結構來協助航天器檢查和航天員工作，以及運用未來疊代出的立方體作為自分揀存儲容器。
歐洲航天局進階概念團隊（ACT）負責人Dario Izzo談道：
“ElectroVoxels展示了如何設計一個完全可重構的系統，并給我們科學界提出了一個需要解決的挑戰，即如何在太空軌道上擁有一個功能齊全的子產品化機器人系統。這項研究示範了電磁驅動的旋轉立方體在建造、操作和維護方面的便捷性，實作了一個靈活、子產品化且可重構的系統，這在未來探索任務中會給智能元件的設計帶來靈感。”
就像均勻的俄羅斯方塊一樣，立方塊要想移動，就必須遵循一個序列。一個極化序列（polarization sequence）包含三個步驟：發射、移動、捕捉，每個階段都分别有一個行進的立法體（用于移動）、一個起點（行進的立方體進行發射的地方）和一個目的地（捕獲行進的立方體）。該軟體的使用者可以指定哪一個立方體在哪一方向上進行旋轉，而算法會自動計算出所需的電磁配置設定的順序和位址（排斥、吸引或關閉）。
在未來，子產品化機器人的應用場景将從太空轉向地面。這将需要對電磁鐵進行更詳細的模組化和優化，以便在地球的重力環境中進行重新配置。ElectroVoxels 仍存有不足之處，如卡内基梅隆大學機器人研究所助理教授Zachary Manchester指出的（他沒有參與這項研究），它在零重力環境之外會不起作用，盡管 ElectroVoxels 已經在抛物線飛行的測試中表明可以模拟微重力。但它們在地面上很難聚集足夠的力進行回旋。
研究團隊希望能夠使立方體足夠堅固以抵抗地球引力，如此，這些機器人将會緩解外太空的不利生活條件，允許人們在地面上建立大規模、可重構的操作。該研究論文的主要作者、麻省理工學院的博士生Martin Nisser表示：
“在建造大型複雜結構時，你肯定不希望受到組裝人員的可用性和專業知識、運輸工具的大小或組裝場地的不利環境條件的限制。雖然相關公理在地球上是成立的，但在太空中建造東西時會變得異常複雜。如果你能用簡單的、同質的子產品來組裝結構，那麼就可以消除很多類似問題。是以，盡管太空環境具有顯著的潛在好處，但沖突的是，微重力提供的有利動力使得其中一些問題實際上也更容易解決——在太空中，即使是微小的力也能讓讓大的物體進行移動。通過應用這項技術來解決太空中的短期實際問題，我們有望孵化出未來在地面上也可使用的技術。”
ElectroVoxels 并非一個單一用途的機器人，小型的子產品可以組合在一起，建構具有各種功能和類型的結構。體積雖小，卻可在太空探索方面發揮相當大的作用。
參考來源：
https://news.mit.edu/2022/robotic-cubes-electrovoxels-shapeshift-outer-space-0223
https://hcie.csail.mit.edu/research/Electrovoxel/electrovoxel.html
https://www.popsci.com/technology/selfspace-robot-cubes/