18新利最新登入真正的变形金刚是如何工作的

两足的擎天柱,出自《变形金刚》;电影。查看更多关于机器人的图片。"width=
《变形金刚》电影里的两足擎天柱。 查看更多 机器人图片
图片©2007梦工厂的照片

毫无疑问,HowStuffWorks的工作18新利最新登入人员对即将上映的《变形金刚》电影感到焦虑。我们不只是想知道它是否会好。我们想知道在我们的有生之年,我们是否会看到拥有变形金刚能力的机器人。虽然全尺寸变形金刚看起来有点难以置信——而且不切实际——但事实证明,一些现有的变形金刚机器人和变形金刚有很多相似之处。在这篇文章中,我们将探索这些变形机器人的样子,它们是如何工作的,以及它们与擎天柱等变形金刚有什么相似之处。18新利最新登入

我们先来分析一下擎天柱本人。他身材高大,令人印象深刻,但他真的存在吗?为了找到答案,我们询问了工程师迈克尔·d·贝洛特(Michael D. Belote),如何才能制造一辆全尺寸的拖拉机拖车,并将其改装成两足机器人。换句话说,要做一个真人大小的擎天柱需要什么?

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首先,质数必须是aself-reconfiguring机器人.现在已经有一些可以自我重组的机器人,或者可以改变形状来执行不同任务的机器人。18新利最新登入然而,他们与擎天柱非常不同。Belote解释道:

对于可自我重构的机器人,工程师通常倾向于保持独立的、可移动的模块小、简单、廉价和可互换;然而,在擎天柱的例子中,我们面对的是一个机器人,它的各个模块18新利最新登入有半卡车的驾驶室那么大。即使可以构建这样的模块,费用也会过高,而且异常的复杂性几乎不可能让所有系统正常运行。

即使工程师们想出了如何在擎天柱的规模上制造可互换的18新利最新登入模块,可能仍然不可能提供移动它们的动力。擎天柱的车辆形态可以使用普通柴油。但是走路远不如用轮子滚动有效。为了行走,Prime需要比柴油发动机提供更多的动力。以下是Belote对如何处理Prime的功率需求的分析:18新利最新登入

传统的机器人是建立在三种动力来源之一——电力、气动或液压。由于涉及的极端重量,液压动力是Prime最有可能的来源,因为液压执行器提供非常高的功率重量比(小功率输入的大功率输出)。

因此,液压动力可能会让“擎天”行走,但液压系统本身会产生一系列不同的问题。Belote说:“必须增加一个油箱或储液器来保存液压油,液压泵是必要的;必须使用二次电源为泵供电;阀门是必要的,以满足适当的压力和流量。”此外,液压驱动的Prime必须内衬管道以输送液压油。在改造过程中,这些管道,以及Prime的燃料管道和电线,必须保持完好无损,甚至不受影响。

在成功转化为机器人之后,擎天柱将不得不像两足动物一样行走。Belote描述了实现这一目标的条件:由于传统半挂车的重量通常超过30吨,Prime的最终重量很可能在35至40吨之间。将其与世界上最好的“行走”机器人——本田(Honda)相比阿西莫机器人它的总重量为119磅,但只能行走约40分钟(电动),最大速度不到每小时2英里。ASIMO的重量比是每英寸2.3磅,而Prime的重量比可能会超过每英寸75到80磅,增加了30倍。

此外,机器人不能轻易模仿行走的动作。“对于机器人,”Belote解释说,“有一个直接的命令(抬起腿'x'的量,前倾'y'的量,下伸腿'z'的量,等等)。然而,对于人类来说,没有“18新利最新登入反馈”机制——你的大脑不会不断地告诉你的腿该放在哪里。相反,你只需身体前倾,然后‘摔倒’,当你的脚接触到地板时,你的腿就会吸收冲击力。”

所以,在我们有生之年,我们不太可能看到一个工作的擎天柱或像他那样的机器人。但是可以改变形状或变成任何形状的机器人已经存在。我们将在下一节中讨论其中的一些,以及它们与Prime的比较。18新利最新登入

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Self-Reconfiguring机器人

擎天柱既可以是双足机器人,也可以是半卡车。"width=
擎天柱既可以是双足机器人,也可以是半卡车。
图片©2007梦工厂的照片

当然,变形金刚最酷的地方在于它们可以有两种完全不同的形状。大多数可以是双足机器人或工作车辆。有些可以转化为武器或电子设备。变形金刚的两种形态有着截然不同的优势和能力。

这与大多数真正的机器人完全不同,后者通常只擅长执行一项任务或少数相关任务。的火星探测车,例如,可以做到以下几点:

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艺术家在火星表面绘制的火星探测车

探索漫游者不太擅长不属于这些类别的任务。例如,它不能组装一个可以装在非常小的空间里,或者制造其他机器人。换句话说,它将成为一个糟糕的搜索和救援机器人,它根本不适用于自动化工厂。

美国宇航局的蛇机器人就是链式机器人的一个例子。"width=
美国宇航局的蛇机器人就是链式机器人的一个例子。
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一个Telecube G2模块

这就是工程师们开发的原因重新配置机器人.像变形金刚一样,这些机器人可以改变自己的形状来适应手头的任务。但是,与从一种形状变成另一种形状不同,就像双足机器人变成拖拉机拖车一样,重新配置机器人可以有多种形状。它们比真正的变形金刚要小得多;重新配置机器人模块小到可以放在一个人的手里。

模块本质上是一个小的,相对简单的机器人或机器人的一部分。模块化机器人由许多这样的小而相同的模块组成。模块化机器人可以由几个模块或多个模块组成,这取决于机器人的设计和它需要执行的任务。一些模块化机器人目前只存在于计算机模拟中;其他的仍处于开发的早期阶段。但它们都有一个基本原理——许多小机器人可以组合成一个大机器人。

模块本身不能做很多事情。一个重新配置的系统还必须有:

  • 模块之间的连接
  • 控制模块如何相对于其他模块移动的系统18新利最新登入

大多数模块化、重新配置的机器人都属于三种类型之一:链式、点阵和模块化配置。链机器人是可以在特定点上相互连接的长链。根据链条的数量和连接位置,这些机器人可以像蛇或蜘蛛。它们也可以变成滚圈或两足行走的机器人。一组模块化链条可以像蛇一样爬过隧道,像蜘蛛一样穿过岩石地形,像两足动物一样骑着三轮车过桥,从而通过障碍训练。

链式机器人的例子有帕洛阿尔托研究中心(PARC)Polybot和Polypod和美国宇航局的Snakebot.大多数都需要一个人,或者理论上,另一个机器人,手动用螺丝固定连接。

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晶格的机器人

Rus机器人实验室的分子模块以两个以90度角连接的立方体为特征。每个立方体上都有一个表面,用来连接它和模块的另一半。其他五个表面可以连接到其他模块上。"width=
Rus机器人实验室的分子模块以两个以90度角连接的立方体为特征。每个立方体上都有一个表面,用来连接它和模块的另一半。其他五个表面可以连接到其他模块上。
图片由Keith Kotay提供罗斯机器人实验室

a的基本思想晶格的机器人就是一群小而相同的模块可以组合成一个更大的机器人。目前已经存在几个格子机器人原型,但一些模型仅作为计算机模拟存在。格子机器人通过爬过另一个机器人,附着在相邻机器人的连接点上或从连接点上脱离来移动。这就像瓷砖在滑动拼图中移动的方式。这种运动方法叫做基质重构-机器人只能沿着机器人格子内的点移动。晶格模块既可以有独立的电源,也可以通过与其他模块的连接来共享电源。

晶格机器人可以通过爬过另一个机器人,沿着地形的形状在复杂的地形上移动,或者它们可以形成一个坚固、稳定的表面来支撑其他结构。足够多的格子机器人可以创造出几乎任何形状。计算机模拟显示,它们从一堆零件变成茶杯,从一18新利最新登入只狗变成一张沙发。这些模块可以组合成平面、梯子、可移动的附属物,以及几乎任何你能想象到的形状。所以晶格机器人更像终结者T-1000而不是变形金刚。

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机器人实验室已经创建并理论化了几个格子机器人系统:

  • 帕洛阿尔托研究中心的Telecube以及麻省理工学院(MIT)罗斯机器人实验室水晶使用能够膨胀、收缩和附着在其他分子上的分子。
  • 帕洛阿尔托研究中心的Proteo是一个理论上的晶格机器人,只存在于计算机模拟中。Proteo是一个集合菱形十二面体(十二面菱形结构)。它的模块通过滚动彼此的边缘来移动。
  • 罗斯机器人实验室分子的模块由两个以90度角连接的立方体组成。因此,它的运动看起来与由单个立方体组成的机器人略有不同。你可以在罗斯机器人实验室看到分子如何移动的演示18新利最新登入网站
蜂群机器人可以独立行动,也可以联合起来完成无法单独执行的任务。"width=
蜂群机器人可以独立行动,也可以联合起来完成无法单独执行的任务。

像格子机器人一样,移动重构机器人都是一模一样的小模块,可以组合成更大的机器人。18新利最新登入然而,他们从一个地方到另一个地方不需要邻居的帮助——他们可以自己移动。移动组态机器人很像一群鱼或一群鸟的卡通描绘,它们结合起来创建一个工具或结构。它们独立行动,直到需要一起完成一项特定的任务。Swarm-bots这是欧盟未来与新兴技术项目的一个项目,是可移动的重构机器人。

尽管这些机器人看起来彼此非常不同,但它们在移动和操作方式上有很多相似之处。18新利最新登入我们接下来来看这些。

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一群平行的大脑

变形金刚有自我意识,可以自己做决定,但它们的活动部件并不是自主的。"width=
变形金刚有自我意识,可以自己做决定,但它们的活动部件并不是自主的。
图片©2007梦工厂的照片

除了它们的尺寸和模块化结构,自重构机器人与变形金刚有一个主要的不同之处。擎天柱和其他变形金刚都有自知之明,可以独立做出决定,他们把大脑放在身体的一个位置。变形金刚的大脑控制着每一个运动部件,而这些部件本身几乎没有自主权。

然而,在大多数模块化机器人配置中,每个模块都有一定的决策权,并帮助确定它将向何处移动。而不是一个模块是所有其他模块的老板,计划和移动功能分布式在所有的模块中。

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这个想法——一群小机器人,每个机器人都要决定自己要去哪里——听起来可能是灾难性的。但这些模块是通过一套基于几何的规则来控制如何移动的。18新利最新登入它们还被编程了控制它们运动的算法。这些算法和规则使机器人能够弄清楚如何从一种形状变成另一种形状,并在地形上移动。18新利最新登入

对于非常复杂的操作,机器人会规划出一系列子形状,而不是试图在一步中做出重大改变。例如,一个格子机器人需要从一堆随机模块转变为双足机器人,可能首先形成腿。然后,它可能会用这些腿作为支架来建造机器人的上半部分。

目前,每个模块化机器人系统都有自己的规则来管理它如何移动和重新配置。18新利最新登入"width=
目前,每个模块化机器人系统都有自己的规则来管理它如何移动和重新配置。18新利最新登入

在这个时候,许多机器人可以自己从一种形状转换到另一种形状。更复杂的变化可能需要科学家的帮助,使机器人的集合成为半自主的,而不是自主的。一些仍处于早期开发阶段的机器人接受来自计算机工作站的所有指令,不能自己做决定。

目前,大多数重新配置的机器人都有自己的规则和算法系统,并且规则集只适用于它们被设计的机器人。换句话说,Rus机器人实验室的Crystal的规则不适用于Molecule。

18新利最新登入然而,科学家们正在使用计算机模拟来研究运动理论,无论机器人模块是什么样子,这些理论都能起作用。这些理论可以建立机器人运动的基本规则,包括:

  • 确定完成结构需要多少步骤18新利最新登入
  • 防止模块之间的冲突
  • 允许模块创建一个稳定的结构,不会随着机器人的移动而倒塌
  • 确保模块的链或集合能够到达必要的点

如果这项研究成功,工程师们可以更容易地制造出遵循相同运动规则的新型模块化机器人。

尽管这些机器人不能像变形金刚那样走路和说话,但只要得到正确的编程和指令,它们几乎可以变成任何形状。想要了解更多关于它们和变形金刚的信息,请看下一页的链接。

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来源

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  • 有格的,Arancha。一类模块化机器人的自重构规划。施乐帕洛阿尔托研究中心。
  • DARPA微型机器人项目http://www.egr.msu.edu/microrobot/
  • 德、坎德拉。《未来机器人的形状》。《连线》杂志。2002年10月7日http://www.wired.com/news/装置/ 0,1452,55421,00. html ?tw = wn_story_related
  • 帕洛阿尔托研究中心。模块化机器人:链。http://www2.parc.com/spl/projects/modrobots/chain/index.html
  • 帕洛阿尔托研究中心。模块化机器人:晶格。http://www2.parc.com/spl/projects/modrobots/lattice/index.html
  • 帕洛阿尔托研究中心。统计稳定运动分类http://www2.parc.com/spl/projects/ modrobots/chain/polypod/ Locomotion .html
  • 模块化机器人研究中心。http://www2.parc.com/spl/projects/modrobots/index.html
  • 罗斯机器人实验室。模块化自配置机器人。http://groups.csail.mit.edu/drl/modular_robots/modular_robots.html
  • Schenker, P.S.等人。全地形探测的可重构机器人。加州理工学院喷气推进实验室。
  • Shachtman,诺亚。“超音速变形轰炸机。”受欢迎的科学。2006年7月。http://www.popsci.com/popsci/aviationspace/0f2505a52aceb010vgnvcm1000004eecbccdrcrd.html
  • 结构信息理论及其应用。18luck手机登录http://www.nici.kun.nl/~peterh/doc/sit.html
  • 张颖,等。研究运动系统的平台:模块化可重构机器人系统与实践实验室,帕洛阿尔托研究中心。
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