“既然世界上所有的生物都是由20種氨基酸組合而成，那么，是不是有可能創造出一套僅由 20 種基礎零件組成的工具包，可以組裝出世界上所有不同的技術產品呢？”多年前，在麻省理工學院教授 Neil Gershenfeld 得知使他感到震驚的“生命真諦”的同時，他也萌生了這樣一個大膽的想法。

從那以后，Gershenfeld 和他的學生們便一直在為實現這個設想而努力，他們的研究進展也穩步向前。近日，Gershenfeld 團隊在一場國際機器人會議上展示了他們最新的研究成果：一套由 5 種微小基礎零件組成的微型“行走”驅動器，它還可以組裝成各種不同功能的機器。它也可以在平面上來回移動，或者用來轉動機器的齒輪。這項研究或給目前的機器人設計與制造體系帶來極大變革。它的潛力在于可以進行多種搭配，組合成不同形態的機器人組件；同時還便于拆卸重組，從醫療機器人一分鐘內可能就轉變為工業機器人，再用一分鐘還能變成救災機器人。“在微型機器人領域，標準化是一個極其重要的問題。”德國奧爾登堡大學微型機器人和控制工程中心主任 Sergej Fatikow 評價道，“這項新工作解決了用一小組標準構件組裝復雜的微型機器人系統的問題，這很可能會給微型機器人領域帶來革命性的變化，并在小尺度領域開啟大量應用。”

在此之前，Gershenfeld 團隊展示了多種由這些微小基礎零件組成的、擁有不同力學性能的結構。接下來，他們還演示了一種使用剛性和柔性兩種類型零件創建“變形機翼”的組合方法，這是一個航空航天工程領域里的長期目標。這項最新的工作為實現該目標的運動邏輯添加了新零件，該研究在芬蘭赫爾辛基舉辦的小規模操控、自動化和機器人國際會議 （MARSS）上發布，論文由 Gershenfeld 和 MIT 研究生 Will Langford 共同撰寫。

基礎零件創新

如今的機器人，不論從設計還是制造的角度衡量，可能都是比較昂貴、不夠靈活且耗費時間的。通常需要集成各種各樣的零部件，每種零部件的使用與制備也都是相對獨立的。這些問題都會制約新型機器人的開發及其靈活性的進步。突破上述瓶頸的一種方法是使用模塊化和可重構的組件。模塊化機器人系統集成了包括驅動、通信和控制在內的多種組成模塊，可以針對特定任務進行不同的配置，同時便于重新配置。雖然這種方法體現了模塊化的通用性，但其獨立模塊的構造和集成往往也比較復雜，涉及多種嵌入式功能的密集集成，并且批量生產的成本也相對較高。而 Gershenfeld 團隊的這項研究，提供了一種可替代目前制造機器人的方法，適用于之前兩種不同的設計理念：工作性能優秀，但相對價格昂貴且不靈活的定制機器人；以及犧牲部分性能，從而實現通用性的可重構機器人。在新的方法中，Langford提出了這套毫米級的基礎零件，包括之前提到的剛性和柔性材料零件，以及電磁零件、線圈和磁鐵等，所有零件都可以通過一個標準連接器相互連接，從而組成需要的機械結構。

圖 | 由 5 個基礎零件組成的“行走”驅動器概覽：(A)格架分解為平面零件。首先將節點零件(4)組裝成節點(2)，節點(2)隨后與剛性框架(5)連接形成并聯結構(3)。(B)配置好的、可直線運動的單層行走馬達。(C)構成驅動器的5種基礎零件——節點零件(4)、剛性框架(5)、雙鉸鏈框架(6)、磁芯(7)、音圈(8) 在未來，Gershenfeld 團隊計劃采用更小的基礎零件來實現這些功能。

樂高式“微型設計”

Langford 使用這套簡單的微型零件組合，組裝出了一種好似科幻小說中描述的、能以獨立的機械步驟移動附屬件的新型驅動器。

這種新型驅動器的應用場景非常廣泛，可用于轉動齒輪，而且轉動的方式極為特別——好像一個人在齒輪的表面上走動。與此同時，根據不同任務的需要，這些零件也可以組裝成用于抓握的機械手或用于行走的機械腿，然后隨著具體需求的變化進而重新組裝。 Gershenfeld習慣將這些可以重復拼接使用的獨立零件叫作“digital materials（數字材料）”，認為他們團隊就像在玩一種有著機械功能的“Micro-LEGO（微型樂高）”。

這種新的設計方法為創造一個標準化的零件套件邁出了重要一步。通過幾種基礎零件的搭配，它可以針對各種不同的任務需求裝配出擁有特定能力的機器人。然后，還可以根據后續的需求變更進行拆卸并重新組裝，從此不再需要為每個應用程序從頭設計和制造新的機器人。Langford 初始設計的驅動器擁有螞蟻般的能力，能夠舉起自身重量7倍的物體。但是，如果需要機器人提供更大的力量，就需要增加更多的基礎零件數量。或者，如果想讓機器人以更復雜的方式移動，這些基礎零件可以分散地安裝在整個結構中，從而得到不同的運動方式。除此之外，為匹配不同的應用，還可以在構建機器結構的零件尺寸上進行選擇。目前，Gershenfeld 團隊已經制造出了納米尺寸的零件來制造納米機器人，同時還制造了米級的零件來制造大型機器人。而在此之前，制造每種極限尺寸的機器人都需要專門的技術才可以完成。

未來可用于多場景

“一種新興的應用是用來制造可以在有限的工作空間內作業的微型機器人。”Gershenfeld 說道，“雖然我們將開發重點放在毫米級，但是其他應用領域也可以通過擴展零件來實現。例如，使用更精密尺寸的零件進行裝配，即可用在可消化的醫療機器人和靈活的顯微外科工具等應用場景。”

為了給新型結構加入“大腦”，Langford 還會在基礎零件中增加各種集成電路零件和一些其他零部件，以便組裝出的機器人能在三維空間中更好地連接信號。同時，這套基礎零件的結構既簡單又有規律性，所以其自動化生產過程相對容易。為制造這套基礎零件，Langford 發明了一臺新穎的機器，類似于 3D 打印機和制造電子電路的元件擇嵌機（pick-and-place machine）的結合體。但與兩者不同的是，這臺機器可以直接根據數字設計而生產完整的機器人系統。Gershenfeld 表示，“目前這臺機器是朝著最終目標邁出的第一步，這個項目的最終目標是要制造出一臺在生產裝配零件的同時，能夠自我組裝的組裝機器。”