超快速機器手臂! Robots That Imitate Human Wrist

機器手臂不僅在各種生產組裝工廠, 食品工廠需要, 現在的生醫藥物的篩選實驗也越來越依賴機器手臂, 越快速的機器手臂越能快速完成更多工作或是藥物測試. 但是目前的設計都是利用把伺服把馬達裝載在活動的關節處扮演旋轉運動的腳色, 對這樣的設計要增加馬達力量速度的同時也會讓整隻機器手臂變重而有速度上的限制. 這影片介紹另一種機器手臂的設計, 類似人的手腕由很多韌帶拉動一樣, 這種設計把馬達移到手臂的上方, 用機械連桿來活動下方的手臂. 這樣一來手臂的活動部份可以大幅的減輕重量, 所以可以更快速的完成移動. 這種設計的另一個好處是多個自由度同時在機器手腕的部分實現, 這很多類似人類手腕的操作能更簡單實現. 配合上及時的影像分析, 這種設計能很快速完成像是分裝, 收集不同排列角度物品等任務.


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實物模型列印機! z printer 450

之前有介紹過利用固化的UV膠作為3D列印的機器. 不過那種比較合適精美然後只是局部稍微立體的情況. 對於真的立體的物體想要列印出來有其他的方式. 一種是利用熱融的高分子一層層的加蓋上去, 另外一種是利用CNC雕刻出來或是雷射來引導聚合. 下面這影片介紹的是另外一種利用膠水黏合的方式. 在充滿粉體的艙內, 列印頭前有刮刀可以把需要固定的平面定義出來, 然後利用噴頭把膠水類的物質噴在粉體上, 使其固化. 這樣來來就可以一層層把結構做出來, 過程就像是利用切割好的木板堆模型一樣. 這種方式有兩個特別的好處, 一個是因為有粉體的支撐, 可以做出中間體比較沒有支持性結構的3D物體, 這對複雜的物體很重要. 另一個是膠水可以直接上色, 所以列印出來的物體不只有形狀還有顏色. 配合雷射3D掃描跟相片材質上色, 聯合起來幾乎可以複製看起來的外觀了. 這種技術對於一些需要機構設計的行業很有用, 其實如果便宜一點拿來做模型玩應該也很有趣!

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自己折起來的薄膜! Plastic sheets perform auto-origami

自我組裝是利用物體間本來就有的作用力來形成特殊的結構. 這種方式常常被當作组裝奈米元件的一種可能的方法. 不過這現象常常只發生在很小的尺度, 巨觀的現象並不常見. 這影片是展示怎麼利用一滴水把一整片薄膜包成像一粒粽子. 研究人員先把薄膜切成三角形之後, 中間滴上一滴有藍色的水, 因為表面張力的關係, 加上水會蒸發, 薄膜會被水慢慢往中間拉. 一拉起來之後, 可就看到這個三角形的薄膜變成像粽子一樣把水包中間. 這種技術是利用表面張力跟蒸發來當作形成結構的驅動力. 同樣的技術也可以用在更小的尺度上, 讓一些結構自己形成喔!

學術文獻
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小型震動發電機! vibration-powered generator

現在有不少的研究關注在利用震動來發電, 除了大規模發電, 像是在車站道路那種發電以外, 在某些特殊的場合,尤其是電源不方便的地方, 如果能利用周圍有的震動來發電, 對一些需要電源的感測器會很有幫助. 這影片介紹利用駐電體electret跟互補的電極來作為發電的核心的震動發電. 有別於壓電裝製常常需要比較大的力去來造成壓電晶體本身的小變形的方式去發電, 這種利用駐電體electret跟電極滑動的方式, 可以利用比較小的力跟比較大變形來發電. 在某些場合會比較方便, 像是只要附著在震動的物體附近就好, 不需要直接受壓. 這樣的裝飾如果配合上無線傳輸應該在某些場合有用. 另外這種利用周圍可能電力來源的方式, 像是熱源或是光, 應該會越來來多. 　

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飛機要跟鳥類學習的失速降落! Bird-like glider

在有限的空間要讓飛機要降落一直是個大問題, 可是另一方面, 飛機最早的模仿對象, 鳥類, 卻可以在小空間降落. 其中最大的不同就是鳥類會利用有回饋的失速降落. 飛機的飛行升力來自於空氣通過機翼時, 上下層空氣的流速因為機翼設計而上快下慢所帶來的效應. 當飛機拉高機翼的角度會提高升力, 但是到一定大小的時候, 上層的空氣會開始分離變成渦流且整體飛機的阻力變大, 水平的速度下降, 就會造成所謂的失速. 鳥類很會利用控制翅膀的角度, 巧妙的利用這種效應來减速降落, 但是一般的飛機因為這樣的效應難以控制, 都是乖乖的用滑行降落. 現在有研究人員發展出演算法, 可以估計這樣的效應, 然後利用裝在機上的感測器跟機尾的馬達來微調控制. 影片中展示的就是小飛機利用這種失速降落的情形. 這種技術應該不會利用在有載人的飛行具上, 因為應該很危險又不舒適, 不過研究人員希望可以用在小自動飛機在有限空間的降落上.


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仿魚潛水艇! Knifefish sub

怎麼樣在水裡運動有很多選擇. 一般的潛水艇利用螺旋槳, 現在有研究人員開始仿照魚的運動方式來設計新的運動機構. 這種被參考的魚叫做Knifefish(刀魚or弓背魚) , 運動方式是擺動長長的條鰭來運動. 研究人員設計一樣的長條狀的鰭擺在潛水艇的下方, 只要裡面的機械機構開始扭動, 鰭就會週期性的波浪扭動, 然後艇身就可以前進了. 這樣的改進可能可以減少螺旋槳捲到東西而破壞的機會或是提供較安靜的運動模式. 不過可能不能運動的太快:P


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自我調適機器人! Adapting robot

很多機器人都是被設計來跨越很多不同的障礙物, 不過各種設計都有優缺點合適不同的地形. 那面對不同的需求的時候該怎麼辦呢? 讓機器人自己去適應就好了! 這影片介紹的行走機器人有不同的運動模式, 利用神經網路的學習分析, 機器人會根據環境選擇合適的模式, 而且在下次遇到一樣地形的時候還會記得以前學習到的解決方式. 當遇到被困住的時候, 機器人也會隨機的挑選運動模式來脫離困境!

相關學術文獻
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壽司機器手臂-空氣壓力肌肉! Sushi Robot and Patisserie Robot

機器手臂在工業上已經有很多用途, 例如汽車的組裝或是電路元件的裝配焊接. 但是強力的機器手臂在處理柔軟物質的時候, 例如捏壽司, 還是比不上人手可以給物體輕微而穩定的施力強度. 日本廠商最近展出了利用空氣壓力驅動的機器人手臂, 利用空氣壓力控制的人工肌肉來驅動, 這樣的機器人手臂可以模擬人的握抓能力. 當然除了空氣驅動的元件外, 在施力的回饋控制上也採用的空壓噴氣回饋. 利用偵測與物體接觸部分的空氣噴出壓力就知道到到底施了多少力在物體上. 利用這些空氣操作的特性, 這種機器人手臂可以模擬廚師的手拿草莓做甜點, 還可以拿捏壽司呢!


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儲存彈力的人工腳! Artificial foot

人的腳其實是很聰明的生物設計, 不僅有腳掌軟墊消除走路時的震動, 更可以利用彈性的韌帶跟足弓儲存每一步踏下時多餘的能量, 讓抬腳的時候省力一些. 現在科家學開發出一種新的義足, 利用聰明的計設, 也能把腳踏下時候的力量儲存起來再加以使用, 甚至做的比人腳還好. 原理是利用彈簧跟可以偵測何時該釋放的卡榫. 當踏下的時候把能量存在彈簧, 利用卡榫讓彈簧不反彈, 然後在腳步抬起的時候, 由壓力偵測器在合適的時候通知卡榫打開, 釋放彈簧的能量讓腳步輕一些. 這樣聰明的設計應該有機會造福一些需要的人!


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超音波觸控! Tangible Acoustic Interfaces

觸控在很多地方都有用途, 幾乎已經滲透到生活裡的每個地方. 一般比較知道的觸控是利用表面電容, 或是表面電阻的方式. 其實震動的訊號也可以用來作為觸控的介面喔! 這影片展示了用四個類似麥克風的聲音震動接受器來接收手指碰到表面時候的小震動. 利用時間差就可以準確的把處碰的位置定位出來, 手怎麼動, 滑鼠就跟著怎麼動. 這種技術的一個好處是可以做成很大很大的觸控螢幕而不會增加成本. 也許是大螢幕觸控的一個解決方案.


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波浪旋轉發電機 ! Gyroscopic Wave Power Generator

只要看著起伏的波浪就知道有多少能量蘊含在那些運動中, 但那些能量要怎麼被提取出來呢? 這影片介紹了一種可以利用海上的波浪起伏來發電的裝置. 原理是利用裝設在浮動平台上的陀螺發電器, 當有海浪起伏的時候, 特殊的機構設計就會帶動陀螺發電器轉動, 進而發電. 傳統利用海洋發電的方式比較多是利用潮差發電, 設置的地點有限, 成本也很高. 洋流發電又可能會改變海洋生態. 這影片介紹的波浪旋轉發電機可以裝置在一般的海面上, 不一定要在岸邊, 而且可以依照需要的電量來決定設置的數目, 對生態干擾也小. 如果能好好利用天然波浪來發電, 或許可以解決部分離島或是海洋上的電力需求, 另一方面也對環境很友善!

相關學術文獻
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輕便機械肌肉裝! Lightweight Muscle Suit

電影裡總有那種人類可以穿上去的機械裝, 又帥又夠力. 到底這種裝置有沒有實現的一天呢? 或許已經不遠了, 不過也許沒有想像中那麼拉風. 這影片是展出去年底最新開發出來的一種機械裝. 比較特別的部分是, 這機械裝是利用空氣驅動的人工肌肉來帶動, 而不是電動裝置. 人工肌肉是利用充氣時, 尼龍纖維管會側向膨脹來達到收縮的目的. 也因為用了這種裝置, 整體的重量大幅減輕, 展出的機械裝重量只有8公斤. 展示的能力是本來只能搬10公斤的手臂, 變成可以搬50公斤. 這種裝置可能會先用在搬運工人或是需要搬動老人的看護上, 其他科幻的用途可能還要等一下:P


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