这个奇怪的风滚草机器人可能会改变行星探索

正如火星好奇号探测器的“恐怖七分钟”视频向我们展示的那样，降落在遥远的世界可能极其困难。现在，科学家们正在设想一种可以从太空直接降落到土星最大的卫星泰坦上的机器人，这种球形机器人不需要安全气囊来减轻坠落的冲击，因为它的整个柔性身体本质上就是一个缓冲垫。然后，当机器人在泰坦表面撞击后变平后，它可以像风滚草一样滚动探索外星景观。

这款“超级球机器人”是美国宇航局机器人专家维塔斯·桑斯皮拉尔（没错，这是他的真名）和阿德里安·阿戈吉诺及其同事的构想，他们计划在 9 月中旬推出完整的原型。在开发这款机器人的过程中，他们可能帮助开创了一种革命性的新型机器人。

超级球机器人看起来有点像由电线和棍子组成的猫窝。位于杆端的电机、电池、传感器和电子控制系统可以放松或收紧电缆的张力。通过随着时间的推移改变哪些电线松动，哪些电线绷紧，机器人可以折叠、展开或滚动。机器人会将科学仪器的有效载荷悬挂在身体中间，并在必要时将它们降低到地面以分析表面并收集样本。机器人中的无线通信系统将允许用户远程控制机器人。

该机器人是一种“张拉整体结构”，简称“张拉整体”——一种将受拉元件（电缆）与刚性元件（杆）结合在一起的结构。这种结构原理最早由雕塑家肯尼斯·斯内尔森在 20 世纪 40 年代发现，发明家巴克敏斯特·富勒在 20 世纪 60 年代探索将其应用于建筑。后续研究发现，张拉整体结构遍布整个生物学领域——例如，人类脊柱既依赖于椎骨，也依赖于围绕和支撑骨骼的肌肉、肌腱和韧带。

SunSpiral 表示：“我们正在突破传统的刚性机器人制造方法，即力在关节和其他常见故障点周围放大，并依靠张拉整体结构将力分散到整个结构中，以制造尖端机器人。通过拥有一个具有非常强大的吸收力能力的机器人，你可以拥有一个既能着陆又能移动的系统，而不是使用一次就扔掉的安全气囊。这可以节省执行任务所需的大量重量，从而节省成本。”

至于土卫六，研究人员设想将超级球机器人投掷到土卫六上，每个机器人都覆盖有隔热罩，以防止它们在土卫六的大气层中燃烧。土卫六的表面重力略大于地球的七分之一，这意味着机器人的终端速度——它们在土卫六厚厚的大气层中坠落的最快速度——约为每小时 33 英里，大致相当于在地球上从 30 英尺高处坠落后的速度。“我们投掷的早期原型可以经受住这种类型的撞击，”SunSpiral 说。

这些机器人在坠落到火星后会更难存活，因为火星的大气层比土卫六更稀薄，重力也更大，这意味着它们的终端速度会更高。“但也许一个简单的降落伞就可以让它们减速到足以安全着陆，”SunSpiral 说。“我们仍在回答这些机器人着陆时的最高速度是多少的问题。”

即使这些机器人中的任何一个部件在着陆时断裂，由于张拉整体结构的每个部件都相互依赖，这意味着如果几个部件断裂，机器人的其他部件可以弥补不足。“我们预计某些部件可能会失效，”比利时根特大学的机器人专家 Ken Caluwaerts 研究员说。“我们正在开发一种分布式控制系统，这样即使四分之一的电机发生故障，结构也应该能够继续滚动。”

“你可以把它们从悬崖边缘滚下去或者滚进熔岩管。”

这些机器人的潜在坚固性可能意味着它们可以承担传统机器人不敢冒的风险——“你可以把它们从悬崖边缘滚下或滚入熔岩管，”SunSpiral 说。此外，张拉整体机器人通常可以包装成紧凑的形状，这对于空间狭小的太空任务至关重要。此外，机器人的所有控制系统都装在每个杆末端的盖子里，“这意味着我们可以制造各种规模的机器人——如果我们愿意，我们可以通过改变杆的长度，将机器人做大一倍或缩小一半，”SunSpiral 说。

“这是一项非常有趣的工作，”哈佛大学机器人专家 Sam Felton 说道，他没有参与这项研究。“这些张拉整体机器人具有巨大的潜力，我很期待看到这些机器人还能学到什么其他技巧。”

SunSpiral 表示，尽管张拉整体结构的强度来源于每个部件相互依赖的方式，但这一特点也使得设计和控制具有张拉整体结构的机器人极具挑战性。“对这些结构与环境互动的方式进行建模也非常困难，”他补充道。

为了控制这些仿生机器人，SunSpiral 和他的同事开发了一种仿生控制系统。他们开发了控制机器人的算法，模仿中枢模式发生器，即动物的神经回路，通常对运动、咀嚼、呼吸和消化等活动至关重要，这将使机器人能够自动滚动，“就像你我不用思考就能呼吸一样”，Felton 说。此外，研究人员还开发了一种让机器人借助进化算法学习如何自行滚动的方法，这对于在另一个星球上自行操作的机器人非常有用，因为那里的运动规则可能与地球上的有所不同。

科学家们正在开发的原型大致呈球形，重约 35 磅，直径 5 英尺。SunSpiral 和他的同事预计到 9 月中旬，它就可以在室外探测车测试设施中运行。但“在成为 NASA 任务之前，还需要做大量工作，”SunSpiral 说。

为了帮助将张拉整体机器人变成现实，SunSpiral 和他的同事发布了开源 NASA 张拉整体机器人工具包，该工具包可免费在线使用，并基于游戏物理模拟器 Bullet Physics 引擎构建。他们还在开发“一种低成本、易于使用的张拉整体机器人套件，以便人们轻松组装新的张拉整体机器人，供学生和研究人员摆弄它们，”SunSpiral 说。“我们希望让世界各地的人们探索这一革命性概念，帮助开辟新天地。”