挖個(gè)冰塊就能修自己！科學(xué)家用「冰」做了輛科考機(jī)器車，南極火星都能跑
上周，北京低溫跌破21世紀(jì)最低紀(jì)錄，達(dá)到零下20度。潑水成冰不只是東北的獨(dú)有景觀，北京的小伙伴也體驗(yàn)了一把快樂。
北京日?qǐng)?bào)記者在北京體驗(yàn)潑水成冰
這周末，青島海浪被凍住還上了熱搜。
作為最常見的物理現(xiàn)象，“冰”是我們身邊常見又陌生的材料，做冰屋、刻冰雕，也是人們一直以來喜聞樂見的活動(dòng)。
不過，在科學(xué)家的眼中，冰又有不一樣的用途。
最近，來自費(fèi)城賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Devin Carroll和Mark Yim就用“冰”這種材料做了一項(xiàng)有趣的操作——一輛能自己給自己換輪子、修外殼的科考車。
聽起來似乎非常炫酷，但文摘菌看到的雛形還是失望了一把。
冰做出的車身非常簡(jiǎn)陋，身上還背著兩塊電板????
雖然看起來個(gè)頭小，但是動(dòng)起來還是非常靈活，可以在各種地形行進(jìn)，進(jìn)行需要完成的動(dòng)作。 比如斜坡上行。
或者是推開擋住自己前行的障礙物，繼續(xù)往前走。
科學(xué)家解釋稱，目前放出的視頻中的“迷你冰車”還是個(gè)設(shè)計(jì)雛形，未來，更大的冰車可以承載重要的考察任務(wù)，去南極或者火星上進(jìn)行考察探索。
目前，這一研究論文已經(jīng)被IROS 2020智能機(jī)器人與系統(tǒng)國(guó)際峰會(huì)（IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems）收錄。
論文傳送門????
http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/2114.pdf
科考車為啥要用冰做？
看到這里，你可能和文摘菌一樣有個(gè)疑問，科考車為啥非要用冰做？說好的先進(jìn)的太空納米材料呢？
回答這個(gè)問題之前，我們先看看傳統(tǒng)的科考車都啥樣？
今年七月份，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器的火星車，使用的熱控材料是新型保溫材料——納米氣凝膠，因?yàn)榛鹦潜砻嬗邢”〉拇髿?，必須針?duì)這一特殊的太空環(huán)境采用新的保溫材料。納米氣凝膠很輕，有非常好的隔熱性能。此外，火星車還采用了鋁蜂窩夾層、鋁基碳化硅、復(fù)合纖維材料等多種新材料。
這些科考車的外殼雖然堅(jiān)固輕薄，但是都面臨一個(gè)很大的問題，壞了之后因?yàn)?strong>缺乏材料很難修復(fù)。
其實(shí)，科考車的故障并不會(huì)特別復(fù)雜，很可能是由于行進(jìn)過程中的意外障礙磕碰，導(dǎo)致的簡(jiǎn)單問題。
如果在修理站，稍微修復(fù)就能繼續(xù)使用，但是由于這些機(jī)器車不是為維修而設(shè)計(jì)的，送回修理的費(fèi)用有很高。并且，即使“火星漫游者”確實(shí)有能力在磨損后更換自己的輪子，但這些罕見的復(fù)合纖維材料在火星、南極都非常難以獲取。所以一旦損壞，即使是微小的問題，這些探索車都很可能被廢棄。
因此，尋找必要的材料以保持機(jī)器人在極端環(huán)境中運(yùn)行，成為了科考機(jī)器車研究者們的重要課題。
過去的這些年，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)法很好地解決了電源問題，通常利用太陽能就能保持其動(dòng)力供給。
雖然不能用太陽能來制造輪子，但是可以用遍布整個(gè)太陽系的另一種易得材料制造輪子和其他結(jié)構(gòu)部件——冰。
冰這種材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，堅(jiān)固、易得、容易粘黏調(diào)整。并且，冰遍布整個(gè)太陽系，勘探機(jī)器人可以將其用作消耗類結(jié)構(gòu)材料。
“Mark和我開始探索用新型材料建造機(jī)器人的想法，以此為在遠(yuǎn)程或敵對(duì)環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器人系統(tǒng)增加魯棒性，其次要目標(biāo)是降低系統(tǒng)成本，”冰車創(chuàng)始人Carroll稱在接受IEEE采訪時(shí)稱，“我們最終確定了冰這種材料。氣候變化使許多人對(duì)南極和冰蓋感興趣，而美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和其他太空探索團(tuán)體則在向恒星尋求冰和水。因此，冰是最合邏輯的選擇。”
目前，費(fèi)城賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始了用冰制造機(jī)器車的工作，不過他們也承認(rèn)，無法用冰制造致動(dòng)器、電池或其他電子產(chǎn)品，而且冰永遠(yuǎn)不會(huì)像鈦、碳纖維或任何其他材料那樣高效地用作結(jié)構(gòu)材料。
但是冰可以在很多不同的地方找到，而且冰的修改方式也非常獨(dú)特-加熱可以用來切割和雕刻冰，也非常容易粘合起來。
科考冰車在哪里可以工作？
IROS的論文探討了使用增材制造和減材制造工藝從冰制造機(jī)器人結(jié)構(gòu)部件的不同方法，目的是為能展現(xiàn)“自我重構(gòu)，自我復(fù)制和自我修復(fù)”的機(jī)器人開發(fā)一種概念?！?nbsp;
那么，什么樣的環(huán)境可以使用一臺(tái)科考“冰”車呢？
科學(xué)家們假設(shè)，這臺(tái)機(jī)器車會(huì)在有冰的環(huán)境中運(yùn)行，首先環(huán)境溫度足夠冷以使冰保持穩(wěn)定，其次，還應(yīng)足夠冷以使機(jī)器人產(chǎn)生的熱量不會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰。
對(duì)于冰材料的打磨雕刻，對(duì)比了磨刻、3D打印和CNC加工后，研究小組發(fā)現(xiàn)，用鉆頭切冰是最節(jié)能、最有效的方法，不過還是需要找到一種方法處理打磨過程中產(chǎn)生的廢水和冰刨花，以防它們?cè)诓恍枰牡胤絻鼋Y(jié)粘連。
當(dāng)然，有時(shí)重新凍結(jié)又是需要的，因?yàn)檫@是執(zhí)行諸如放置執(zhí)行器并將一個(gè)零件連接到另一零件的操作。
科研小組目前給這臺(tái)車的定位是：一臺(tái)在南極進(jìn)行科考的機(jī)器車，重6.3公斤。這是一臺(tái)手工制作的車體模型，研究人員大多只是希望用這個(gè)雛形表明，冰制機(jī)器車也可以移動(dòng)，并且即使在室溫下，零件也不會(huì)掉落。
科學(xué)家稱，這臺(tái)車距離要實(shí)現(xiàn)被定義的自我重配置、自我復(fù)制和自我修復(fù)功能，還有很長(zhǎng)的路要走，但研究人員正在研究之中。
比如，制造機(jī)器人并將其安全地運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)還存在一些復(fù)雜問題。“如果我們先建造它，然后將其運(yùn)送到部署現(xiàn)場(chǎng)，則必須在整個(gè)過程中保持低溫；而如果我們?cè)诓渴瓞F(xiàn)場(chǎng)制造，則還必須隨系統(tǒng)一起運(yùn)送制造現(xiàn)場(chǎng)，這會(huì)增加與系統(tǒng)相關(guān)的總體金錢和能源成本系統(tǒng)?！盋arroll稱。
出自機(jī)器人鼻祖GRASP Lab
研發(fā)出這臺(tái)“冰車”的賓夕法尼亞大學(xué)GRASP Lab成立于1979年，是一流的機(jī)器人孵化器，專注于視覺、感知、控制系統(tǒng)、自動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)方面的基礎(chǔ)研究。
1961年，機(jī)器人技術(shù)走出了科幻小說，進(jìn)入了現(xiàn)實(shí)世界。佩恩工程學(xué)院內(nèi)米羅夫斯基家族院長(zhǎng)維杰·庫馬爾（Vijay Kumar）曾在機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)以及電氣與系統(tǒng)工程學(xué)系任職，他說服通用汽車安裝了第一臺(tái)機(jī)器人來處理當(dāng)年的鋼錠。當(dāng)年的工業(yè)機(jī)器人還是些笨拙的機(jī)器，必須用螺栓固定在車間。
直到1980年代，工程師首次開始使機(jī)器人移動(dòng)（增加腿部或輪子），讓機(jī)器人能夠完成任務(wù)，就是從GRASP Lab開始的。從那時(shí)起，“機(jī)器人可以進(jìn)入應(yīng)用程序，整個(gè)世界都有可能成為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室?！?/p>
發(fā)展近四十年來，GRASP Lab目前已經(jīng)成為了專業(yè)的機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)，同時(shí)孵化了不少創(chuàng)新機(jī)構(gòu)項(xiàng)目。除了機(jī)器科考冰車，GRASP Lab還孵化過帶尾雙足機(jī)器人，從袋鼠老鼠身上汲取了靈感，機(jī)器人具有準(zhǔn)靜態(tài)（將尾巴用作支桿）和動(dòng)態(tài)平衡（當(dāng)尾巴在空中時(shí)，機(jī)器人可以運(yùn)行或跳躍但不能站立）的能力，以及敏捷的過渡運(yùn)動(dòng)（如跳躍和轉(zhuǎn)彎）；康復(fù)機(jī)器人，價(jià)格合理的新型治療設(shè)備-機(jī)器人，輔助殘疾人士康復(fù)訓(xùn)練等。
參考素材：
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/space-robots/robots-made-of-ice-could-build-and-repair-themselves-on-other-planets
https://mars.nasa.gov/news/8671/nasas-perseverance-rover-goes-through-trials-by-fire-ice-light-and-sound/
https://www.grasp.upenn.edu/research
https://new.qq.com/omn/20200802/20200802A0L7QK00.html
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