高中生在家自己动手造出定制机器人

2017年02月17日 07:38 第一财经日报
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  陈琳

  [坐在轮椅上的詹姆士,利用虚拟现实仿真设计软件成功设计出能让双腿残疾的人依靠双手驾驶的智能电动跑车]

  普通高中生在家里就能造出智能感应机器人?这并非J.K。罗琳的魔幻小说中才有的情节。

  一台电脑、一部3D打印机、一块Arduino芯片,高中生山姆·伯格顿(SamBaumgarten)和格兰汉姆·休斯(GrahamHughes),还没接受过系统、正规的高等计算机编程和机械课程的训练,就已经轻松地设计、制造出带有敏锐的触觉反馈功能的机械手臂。

  “这只机械手臂的手指是通过solidworks软件设计分析后一键打印出来的,灵活程度超出我们最初的预期。”伯格顿戴着装有弯曲传感器的控制手套,向人们演示这只机械手臂的神奇力量。由三个双指节手指组成的抓手,在接收手套传感器的信号后,流畅无误地重现使用者手臂所做出的自然动作。不仅如此,安装在机械手指尖上的力传感器还会将抓手握住物体时产生的触觉,经由芯片处理后发送到用户所戴的手套指尖。“即便你没有亲手拿捏具体的物件,通过机械臂的触觉传达,你仍然能直观地知道远处的机械手正在以何种力道抓握对象。”在伯格顿的演示下,拿起脆弱易碎的玻璃杯,机械臂迅速调整抓握的力道。

  “很难想象这只机械臂是高中生设计制造的作品,”曾在法国阿兰德百伦机器人公司(AldebaranRobotics)研发部门任职的拜尔·尼尔(BayerNeal)在仔细观看了伯格顿的一系列动作演示后表示。在过去,对机器人抓握力的把控是一个需要众多工程师、科学家、工业设计师一齐努力多年才可能攻克的技术难关。如今,在虚拟现实技术的设计开发工具帮助下,两个高中生在家里就已经造出了感应握力的机械手臂。

  日前于美国洛杉矶会展中心开幕的Solidworks2017年世界大会上,包括伯格顿和尼尔在内的全球5000多名工程师、设计师、科技设计达人聚集一堂,用真实的作品案例相互切磋,分享和探索3D应用、工程技术和设计领域的最新信息。

  实际上,“业余选手”伯格顿的故事和专业工程师尼尔的唏嘘不是个别现象。在诸如Solidworks三维仿真设计软件的帮助之下,凭一己之力就能定制自己想要的那款机器人已经不是什么天方夜谭。在Solidworks世界大会上展出的擅长翻越山地的坦克型机器人、战斗力爆表的锯齿机器人、力大无穷的蜘蛛型机器人,都是由几个人的小团队甚至个人设计制造的。一方面,Solidworks、Catia、Delmia、3DVia等仿真软件的开发正在努力简化原本高精尖的工业设计开发流程;另一方面,3D打印技术与设计软件的直接对接,让个性化工业制造变得轻而易举。这无疑给了更多像伯格顿这样对机器人充满热情和想法的“业余选手”定制机器人的机会。

  “作为人工智能的主要载体,机器人开发设计本来应该是个性化的事情,从功能到造型审美,不同人对机器人有不同需求,但因为开发制造门槛太高,所以这些需求一直被压抑。”《机器人时代》作者、人工智能马丁·福特(MartinFord)认为,随着设计软件越来越容易操作,设计软件和3D打印机直接对接等技术革新,在不久的将来,机器人将真正进入“私人定制”时代。

  虚拟现实仿真设计

  “我们自学了一些软件操作教程,对最新的机器人科技做了一定了解,就开始用仿真设计软件着手研发。整个过程不是像人们一般人所想的那么困难,只要有确定的设计目标。”伯格顿坦言,他和“发小”休斯从小就对机器人充满好奇,在过去的很多年里,因为苦于没有简易操作的工具和专业导师,他们能做的最多只是憧憬。直到在高中的选修课上,他们接触到了相关的三维仿真设计软件,这种观念才开始发生了改变。

  “我们所做的,就是根据自己脑海中的机器人设计需求,在数以百万计的模板和素材库中筛选出自己想要的东西尝试组合。这类软件会帮你按部就班地分析你的每一步设计是否可行,甚至寻找出下一步比较合理的解决方案。受到软件所给出的分析和建议方案,你又会不断受到启发,想出新的点子。”通过软件的多次模拟机械手臂动作状态,伯格顿他们确定了芯片和感应器的力学反馈设计解决方案,在几款设计方案之中,这种最为经济。“动态的模拟过程为我们省去了很多时间,试错的成本非常低。”令伯格顿庆幸的是,最终的机械手臂呈现结果和仿真设计软件预测的动态过程几乎完全一致。

  多纳德·休斯顿(DonaldHutson)也是虚拟现实仿真设计软件的拥趸。他凭借“锁爪”(Lock-Jaw)斩获了去年全美知名的机器人对抗大赛“战斗机器人”(Battlebots)冠军。这已经是他的第三座机器人格斗冠军奖杯了。和普通机器人设计不同,参与对抗比赛的编程智能机器人对攻击性、耐力、感知力、灵敏度、策略分析、稳定性的要求非常高。“在设计一款新的机器人时,通常会有五六个不同类型的机器人在我脑海中一闪而过,按照以往的方式,我要将它们全部做出来才能确定哪个机器人最有胜算,但对每年都要参加比赛的人来说,这是来不及的。”利用仿真软件,他和两位伙伴分别将这些格斗机器人在数字世界快速建模“制造”出来,再来一场数字模拟PK大赛,筛选出综合素质最强的那一个。果然,头部装有运动的钳子和两个榔头的重量级机器人“锁爪”,在现实的比赛中也表现出强劲的战斗力,获得了16场比赛连胜。

  坐在轮椅上的詹姆士(James),利用虚拟现实仿真设计软件成功设计出能让双腿残疾的人依靠双手驾驶的智能电动跑车。“也许,普通人不能体会我们的这种需求,而专为残疾人开发的交通工具种类实在有限,所以,我就依靠自己的摸索和软件动态仿真功能,定制了这样一款带有编程功能的双手驾驶跑车。”詹姆士介绍,其中的汽车外壳和操纵杆等关键部件均是由软件分析后,用3D打印机喷制。“汽车的高度和车门的尺寸都是根据轮椅的高度来定制的,如果是向厂商订货,只做几件样品,不仅价格高昂,而且还需要大量时间等待。现在,这一切都很方便,在家里的地下室就能做到。”詹姆士的最终目标是阿凡达那样的浸入式机器人,帮助那些像他这样坐在轮椅上的人像正常人一样用“双腿”行走。

  同样希望将机器人与人类紧密结合在一起的工程师乔纳森·蒂皮特(JonathanTippett),则利用仿真软件简化了开发流程,建构出一款结构复杂、对骨骼力学要求精密的巨型可穿戴式的行走“机甲”。这是一款倚赖电子—水动力学和触觉反馈来操纵的肢体移动机器人。坐在“机甲”上,驾驶者可能通过手臂的活动来控制整个庞然大物的运动。据说,乔纳森的朋友之中有一位机场行李搬运工,因为常年搬运导致肌肉劳损,无法工作。乔纳森感同身受决定研发这样的“机甲”,希望减少搬运工的身体损伤,便设计了这款巨型机器人。“用仿真软件设计,虽然它看上去骨骼复杂,其实绘制和建模分析都不难。”乔纳森回忆说,设计和制造最难的部分并非机器人本身,而是它以什么样的方式降低搬运工的工作强度。“虽然它的初衷仍然是以人为本,有点‘反机器人’,但它能发挥作用,我就心满意足了。”

  从理念到创造,只要一个键

  事实上,早在很多年前,当虚拟现实的设计制造软件在波音、NASA等工业巨头的研发工作室中大行其道时,就已经有不少行业相关人士预测到了智能制造时代的到来。而机器人的“私人定制”只是其中的一个小小剖面。

  “之前的工业设计软件,不具备分析和解析功能,像AutoCAD这类软件在平面上进行,三维尺度仅仅是通过数字标示出来,复杂的图表旁边加上一堆叠加的数据,如果没有经过多年训练,普通人很难使用这样的软件进行设计。”Solidworks产品经理OboeWu表示,智能制造、机器人“私定”眼下正是“天时、地利、人和”。所谓天时,就是各种参数和模型的数据库日益完备,软件的操作从图纸变成了三维模型,几乎做到了“所见即所得”。所谓的地利,就是芯片、3D打印大规模普及和成本的下降,让个人定制设计成为了可能。所谓人和,一方面是对新设计和新技术充满狂热理想的年轻人不断涌现;另一方面,在很多学校中,人工智能、3D建模的课程也开始慢慢推广起来。

  “在学校引入这类课程,产生的影响力是双向的。”工程师、麦克阿瑟基金会“天才奖金”获得者埃米尔·阿波-希埃尔(AmirAbo-Shaeer)在创立了多斯·普博乐思未来工程师学院(DosPueblosEngineeringAcademy)后,一直致力于在高中推广虚拟现实的仿真设计软件课程。而他的初衷是让更多原本对工业设计和机械制造不那么感兴趣的学生发现自己的潜能。“仿真设计软件的确让这类教学的难度降低了很多。对空间想象力、对材料和机械构造及操作没那么多经验的学生,有了可视化的工具辅助之后,很多理解和认知的障碍被无形地化解了。”希埃尔发现,3D动态仿真软件的介入让这个原本看起来枯燥和冰冷的钢铁世界变得生动鲜活起来。

  “在未来,3D仿真软件还将产生很多待发掘的新功能,比如网络的协同工作和社交功能,把志同道合的人聚集在一起,实现信息同步共享。又比如根据用户的描述自动生成某一种智能模型。”3D体验平台达索系统数字制造专家、博士陈超祥则认为,“设计软件的思维和追求外形的设计不同,它们的逻辑绝对是形式追随功能,就像多纳德设计‘锁爪’一样,它的目的性非常明确。以后,当你的需求很明确,很可能只要一个键,你想要指定功能的机器人就会出现在你的面前。”虽然还不清楚是哪个“键”,有一台电脑、一款仿真设计软件和一部3D打印机,在家里造一个机器人,又有什么难的?

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