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《美国宇航局报告自组装机器人最新进展》

  • 来源专题：智能制造
  • 编译者： icad
  • 发布时间：2024-02-02


  • 近日， 美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心在《科学—机器人》杂志报告了自组装机器人的最新进展。这是一种可自我编程的超材料机械，具有在各种应用场景中自我重新配置组装的潜力。
    由于可以灵活地根据环境变化和实际需要调整建筑形态和属性，并且可以重复使用和自我修复，长期以来，人们一直设想使用多功能可编程材料建设太空基础设施、灾难救援等场景。但是，其可扩展性和机械性能仍然存在挑战。例如，通常采用的磁性连接强度较弱，难以提供高性能的连接结构。
    艾姆斯研究中心开发了一种机器人自组装结构，其基本思想是利用建筑单元和组装机器人之间的巧妙协同来实现自我构建。
    两种机器人协同作业，构建建筑结构。图片来源：NASA
    每个建筑单元都是一个立方八面体，其中包含6个由碳纤维增强聚合物注射成型的正方形表面。建筑单元首先由运输机器人沿着结构表面运送到指定安装到位，再由固定机器人在结构表面滑动并收紧连接点，形成牢固、坚硬和轻质的晶格结构。每个正方形有四个连接点，可以以各种角度连接，同时保持良好的结构强度。
    作者表示，该方法的优点是机器人沿着晶格结构表面运动，因此不需要强大的传感系统来实现高精度控制，通过编程算法就能实现尺寸和复杂性的扩展，从而自动化组装和重新配置大型结构。
    组装之后的晶格结构表现出超轻的质量密度（0.0103克/立方厘米）和高强度、高刚度（分别为11.38千帕和1.1129兆帕）。
    “我们认为这种类型的建筑技术可以被广泛应用，”论文的主要作者Christine Gregg 说：“这一方法的强大自主性和轻量级结构，非常有利于应用于月球表面或太空等严峻环境。包括在宇航员抵达之前就在月球表面建造通信塔和避难所，以及吊杆和天线等基础设施。”
    他同时指出，这些建筑单元本身也可以利用现场材料就地制造。因为对于太空应用来说，终极方案是利用在月球或其他星体上发现的材料来制造。
    据悉，在该研究中，机器人在4.2 天的工作时间内制造了256个建筑单元，并将它们组装成一个可通行的避难所结构。
    “在太空或另一个星球表面建造东西时，速度不一定是最重要的。”论文作者Kenneth Cheung表示，让这个系统运行得更快的方法是使用更多机器人，并提前将它们送往太空。
    目前，机器人使用电池供电，将来也可以利用现场的其他电源自动充电，甚至可以无线传输电力。“我们设想机器人可以在发电站自动充电，甚至可以无线传输电力。”Gregg说。
    下一步，实验室将研发速度更快、更可靠的机器人，并尝试 将不同功能的建筑单元集成到晶格结构中。（来源：中国科学报 陈欢欢）

  • 原文来源：https://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2024/1/20241319482322794729.shtm
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    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-04-27
    • 进入2020年以来，国外在航空航天领域用复合材料又有了系列新进展，航空领域如美国陆军未来攻击侦察机，航天领域包括英国商业火箭计划、美国空间可展开结构项目及今年7月即将进行的火星登录计划。为此小编将带来近期尤其是2020年以来，国外在航空航天领域用复合材料最新进展。 01 复合材料使陆军未来攻击侦察机（FARA）的性能提升 美国陆军未来攻击侦察机（Future Attack Reconnaissance Aircraft，简写FARA）已进入西科斯基公司的RAIDER X的原型机阶段，该机基于S-97型RAIDER并采用了复合材料机身。 FARA将飞入要求苛刻且竞争激烈的环境中，因此它必须具备出色的垂直升力，这是美国陆军六大现代化优先任务之一，而且必须具有坚韧和快速的性能。西科斯基公司的RAIDER X是一种快速、灵活、可生存的复合同轴直升机，它提供了陆军所需的关键部件，包括机动性、高巡航速度、紧凑的占地面积和高热悬停（在高海拔和高温下的悬停能力）。 作为陆军未来垂直升力追踪的一部分，RAIDER X被选中进入FARA竞争性原型项目的第二阶段，因此西科斯基将继续研究RAIDER X原型，为飞行测试项目做准备。基于西科斯基s-97型掠袭机的“掠袭者X”将受益于s-97的X2技术，该技术结合了刚性、对转叶片、电传飞行控制和综合辅助推进系统。洛克希德马丁公司将提供从数字设计到任务系统的服务。 为了满足S-97的严格要求，西科斯基与包括旋转复合材料技术公司、Hexcel公司和鹰航空技术公司合作。直升机机身由复合材料制成，在极端条件下提供所需的重量、强度和韧性。“X2的力量正在改变游戏规则。它结合了低速直升机性能的最佳元素和飞机的巡航性能，”西科斯基实验试飞员比尔·法尔说，他是一名退役的陆军飞行员。“我们今天乘坐的S-97突袭机的每一次飞行都降低了风险，优化了我们的FARA原型RAIDER X。”西科斯基还将继续致力于X2技术计划，作为RAIDERX项目的一部分。 02 碳纤维增强铝基复合材料推动商业轨道火箭飞速发展 总部位于英国的私人低成本轨道发射服务公司Orbex正在制造商用轨道火箭Prime，它由轻质碳纤维和铝复合材料的优化混合加工而成，与同尺寸型号火箭相比，重量下降了30％。 Orbex公司为未来几年制定了系列宏伟计划，包括从尚未建成的太空港（spaceport）发射小型卫星，并在2022年为新客户TriSept发起专门的特别发射任务。实现这些崇高目标的关键是Orbex的Prime，这是一种轨道火箭，由碳纤维和铝复合材料的优化混合物制成。 Orbex在其苏格兰总部安装了高速碳纤维缠绕机。公司官员解释说：“这台18米长的机器可以自动完成复杂混合物的快速编织，从而制造出主要的火箭结构。”还安装了一个全尺寸的高压灭菌釜，从而能够处理大型火箭零件，例如一级燃料箱等，这些零件已准备好应对太空中的极端环境，包括承受高达500倍大气压的巨大压力。 由于采用了碳纤维增强铝基复合材料，每枚Orbex Prime火箭的重量仅为1.5吨，比相同尺寸的火箭轻30％，并且能在60秒内从0加速到1,330 km / h。Orbex Prime火箭发动机采用3D打印技术一体制造，从而消除了因连接而产生缺陷的风险。Prime由生物丙烷提供燃料，与煤油基火箭燃料相比，该生物燃料燃烧干净，可减少90％的碳排放。Orbex火箭的设计可重复使用，不会留下轨道碎片。 Orbex首席执行官Chris Larmour表示：“我们正在以前所未有的方式制造火箭……NewSpace（参与太空飞行的私营企业）的重点是提供更快、更好和更便宜的太空通道。在机器人装配线上花费数亿美元或雇用数以千计的员工来生产重型金属火箭是一种过时的方法。建立现代太空业务意味着更新制造精神，使其更快、更敏捷、更灵活。这就是我们在Orbex所做的。” 03 美国宇航局资助加速复合材料可展开结构设计项目 隶属于美国普渡大学的商业软件供应商AnalySwift有限责任公司获得了美国宇航局(NASA)的一笔拨款，将用于进一步开发其SwiftComp软件，该软件为高应变复合材料制成的可展开结构提供高效、高保真的建模技术。 AnalySwift LLC从NASA获得了125000美元的小企业技术转让（STTR）赠款，以帮助其进一步开发SwiftComp软件。这项技术是由普渡大学工程学院航空航天学教授余文斌开发的。该公司从普渡大学研究基金会技术商业化办公室获得技术许可。 AnalySwift总裁兼首席执行官艾伦•伍德（Allan Wood）解释道：“Swift Comp将材料和结构的基本组成部分的细节作为输入，然后输出宏观分析所需的结构特性。它可用于组合梁、板和壳，以及三维结构，用于微观力学和结构建模。” ”除了可展开的复合材料吊杆，NASA还可以找到该软件的其他用途，包括在太空环境中的活体容器和可折叠面板、卫星巴士、漫游车、天线等。也可以用于飞机的柔性机翼和垂直升降飞机的结构。该软件还获得了卫星和移动电话部件（包括印刷电路板）的使用许可。 04 复合材料航空壳将为美国“流浪者号”火星探测器提供保护 洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）使用平铺的酚醛浸渍碳消融剂（PICA）热保护系统开发了一种隔热板，以保护火星探测器2020Rover流浪者在进入火星表面、降落和着陆过程中免受强烈的热量。 NASA今年将开展前往火星的任务，这将是该行星有史以来最具挑战性的进入、下降和着陆（EDL）序列之一，因为火星车将降落在一个充满巨石和沙丘的地区。整个旅程将花费近七个月的时间，而火星车预计将在火星表面停留两年。 洛克希德·马丁公司的机壳是直径最大约15英尺的有史以来最大的用于行星飞行的飞机，其设计目的是保护流动站免受EDL期间高达3800华氏度的温度影响。机壳（隔热罩和后壳的组合）由夹在M55J高模量碳纤维-环氧树脂面板之间的铝蜂窝结构组成，并通过九个弹簧分离机构固定在一起。 隔热罩使用平铺的酚醛浸渍碳烧蚀剂（PICA）热保护系统来防止灼热。隔热罩的空气动力学特性还可以起到“刹车”的作用，当航天器以接近12,000 mph的速度进入火星稀薄的大气层时，有助于减慢航天器的速度。 “即使我们有为好奇号流浪者建造几乎相同的航空器外壳的经验，直径近15英尺的复合材料结构在10年后的建造和测试中也面临着同样的挑战，” Mars 2020航空器外壳项目经理尼尔·蒂斯说。“我们已经为NASA探索火星40年来建造了每个火星航空器进入系统，因此我们从这一经验中汲取了宝贵经验，以构建这一重要系统。”洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）最近将火星2020火星探测器的机体交付给了发射场，即美国宇航局在佛罗里达州的肯尼迪航天中心。“火星2020”火星车正在加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA的喷气推进实验室进行测试，该任务将于2020年7月发射，并于2021年2月在Jezero陨石坑降落在火星上。
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  • 《详细盘点2020年国外航空航天领域用复合材料的最新进展》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-04-28
    • 进入2020年以来，国外在航空航天领域用复合材料又有了系列新进展，航空领域如美国陆军未来攻击侦察机，航天领域包括英国商业火箭计划、美国空间可展开结构项目及今年7月即将进行的火星登录计划。为此小编将带来近期尤其是2020年以来，国外在航空航天领域用复合材料最新进展。 01 复合材料使陆军未来攻击侦察机（FARA）的性能提升 美国陆军未来攻击侦察机（Future Attack Reconnaissance Aircraft，简写FARA）已进入西科斯基公司的RAIDER X的原型机阶段，该机基于S-97型RAIDER并采用了复合材料机身。 FARA将飞入要求苛刻且竞争激烈的环境中，因此它必须具备出色的垂直升力，这是美国陆军六大现代化优先任务之一，而且必须具有坚韧和快速的性能。西科斯基公司的RAIDER X是一种快速、灵活、可生存的复合同轴直升机，它提供了陆军所需的关键部件，包括机动性、高巡航速度、紧凑的占地面积和高热悬停（在高海拔和高温下的悬停能力）。 作为陆军未来垂直升力追踪的一部分，RAIDER X被选中进入FARA竞争性原型项目的第二阶段，因此西科斯基将继续研究RAIDER X原型，为飞行测试项目做准备。基于西科斯基s-97型掠袭机的“掠袭者X”将受益于s-97的X2技术，该技术结合了刚性、对转叶片、电传飞行控制和综合辅助推进系统。洛克希德马丁公司将提供从数字设计到任务系统的服务。 为了满足S-97的严格要求，西科斯基与包括旋转复合材料技术公司、Hexcel公司和鹰航空技术公司合作。直升机机身由复合材料制成，在极端条件下提供所需的重量、强度和韧性。“X2的力量正在改变游戏规则。它结合了低速直升机性能的最佳元素和飞机的巡航性能，”西科斯基实验试飞员比尔·法尔说，他是一名退役的陆军飞行员。“我们今天乘坐的S-97突袭机的每一次飞行都降低了风险，优化了我们的FARA原型RAIDER X。”西科斯基还将继续致力于X2技术计划，作为RAIDERX项目的一部分。 02 碳纤维增强铝基复合材料推动商业轨道火箭飞速发展 总部位于英国的私人低成本轨道发射服务公司Orbex正在制造商用轨道火箭Prime，它由轻质碳纤维和铝复合材料的优化混合加工而成，与同尺寸型号火箭相比，重量下降了30％。 Orbex公司为未来几年制定了系列宏伟计划，包括从尚未建成的太空港（spaceport）发射小型卫星，并在2022年为新客户TriSept发起专门的特别发射任务。实现这些崇高目标的关键是Orbex的Prime，这是一种轨道火箭，由碳纤维和铝复合材料的优化混合物制成。 Orbex在其苏格兰总部安装了高速碳纤维缠绕机。公司官员解释说：“这台18米长的机器可以自动完成复杂混合物的快速编织，从而制造出主要的火箭结构。”还安装了一个全尺寸的高压灭菌釜，从而能够处理大型火箭零件，例如一级燃料箱等，这些零件已准备好应对太空中的极端环境，包括承受高达500倍大气压的巨大压力。 由于采用了碳纤维增强铝基复合材料，每枚Orbex Prime火箭的重量仅为1.5吨，比相同尺寸的火箭轻30％，并且能在60秒内从0加速到1,330 km / h。Orbex Prime火箭发动机采用3D打印技术一体制造，从而消除了因连接而产生缺陷的风险。Prime由生物丙烷提供燃料，与煤油基火箭燃料相比，该生物燃料燃烧干净，可减少90％的碳排放。Orbex火箭的设计可重复使用，不会留下轨道碎片。 Orbex首席执行官Chris Larmour表示：“我们正在以前所未有的方式制造火箭……NewSpace（参与太空飞行的私营企业）的重点是提供更快、更好和更便宜的太空通道。在机器人装配线上花费数亿美元或雇用数以千计的员工来生产重型金属火箭是一种过时的方法。建立现代太空业务意味着更新制造精神，使其更快、更敏捷、更灵活。这就是我们在Orbex所做的。” 03 美国宇航局资助加速复合材料可展开结构设计项目 隶属于美国普渡大学的商业软件供应商AnalySwift有限责任公司获得了美国宇航局(NASA)的一笔拨款，将用于进一步开发其SwiftComp软件，该软件为高应变复合材料制成的可展开结构提供高效、高保真的建模技术。 AnalySwift LLC从NASA获得了125000美元的小企业技术转让（STTR）赠款，以帮助其进一步开发SwiftComp软件。这项技术是由普渡大学工程学院航空航天学教授余文斌开发的。该公司从普渡大学研究基金会技术商业化办公室获得技术许可。 AnalySwift总裁兼首席执行官艾伦•伍德（Allan Wood）解释道：“Swift Comp将材料和结构的基本组成部分的细节作为输入，然后输出宏观分析所需的结构特性。它可用于组合梁、板和壳，以及三维结构，用于微观力学和结构建模。” ”除了可展开的复合材料吊杆，NASA还可以找到该软件的其他用途，包括在太空环境中的活体容器和可折叠面板、卫星巴士、漫游车、天线等。也可以用于飞机的柔性机翼和垂直升降飞机的结构。该软件还获得了卫星和移动电话部件（包括印刷电路板）的使用许可。 04 复合材料航空壳将为美国“流浪者号”火星探测器提供保护 洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）使用平铺的酚醛浸渍碳消融剂（PICA）热保护系统开发了一种隔热板，以保护火星探测器2020Rover流浪者在进入火星表面、降落和着陆过程中免受强烈的热量。 NASA今年将开展前往火星的任务，这将是该行星有史以来最具挑战性的进入、下降和着陆（EDL）序列之一，因为火星车将降落在一个充满巨石和沙丘的地区。整个旅程将花费近七个月的时间，而火星车预计将在火星表面停留两年。 洛克希德·马丁公司的机壳是直径最大约15英尺的有史以来最大的用于行星飞行的飞机，其设计目的是保护流动站免受EDL期间高达3800华氏度的温度影响。机壳（隔热罩和后壳的组合）由夹在M55J高模量碳纤维-环氧树脂面板之间的铝蜂窝结构组成，并通过九个弹簧分离机构固定在一起。 隔热罩使用平铺的酚醛浸渍碳烧蚀剂（PICA）热保护系统来防止灼热。隔热罩的空气动力学特性还可以起到“刹车”的作用，当航天器以接近12,000 mph的速度进入火星稀薄的大气层时，有助于减慢航天器的速度。 “即使我们有为好奇号流浪者建造几乎相同的航空器外壳的经验，直径近15英尺的复合材料结构在10年后的建造和测试中也面临着同样的挑战，” Mars 2020航空器外壳项目经理尼尔·蒂斯说。“我们已经为NASA探索火星40年来建造了每个火星航空器进入系统，因此我们从这一经验中汲取了宝贵经验，以构建这一重要系统。”洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）最近将火星2020火星探测器的机体交付给了发射场，即美国宇航局在佛罗里达州的肯尼迪航天中心。“火星2020”火星车正在加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA的喷气推进实验室进行测试，该任务将于2020年7月发射，并于2021年2月在Jezero陨石坑降落在火星上。
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