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NASA JPL的CoSTAR團隊如何利⽤數位製造推動探索的極限

2021-02-25

DARPA地下挑戰賽旨在增強機器⼈系統的⾃主性，以快速探索地球和太空中的地下環境。它旨在加速軍事，商業和政府領域的最新研究。為了競爭，團隊必須開發完全⾃主的系統來探索地下空隙，同時將重點放在⾏星探測和地⾯應⽤上，例如在礦⼭，⼭洞和⾃然災害後的搜索和救援。

    CoSTAR團隊是NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory），麻省理工學院（MIT），加利福尼亞理工學院（Caltech），韓國高級科學技術學院（KAIST）和瑞典呂勒奧工業大學（LTR）的合作團隊。CoSTAR由來自世界各地的60名工程師組成，是參加國防高級研究計劃局（DARPA）為期三年，分為四個部分，挑戰賽的十個團隊之一。挑戰賽包括三個巡迴賽-隧道巡迴賽，城市巡迴賽和洞穴巡迴賽-隨後是將所有三個環境都融合在一起的決賽。如果成功，該團隊將獲得200萬美元的資助，用於資助未來的研究項目。CoSTAR團隊在隧道賽中排名第二，在城市賽道中排名第一，在撰寫本文時。


             


(該團隊的自主機器人（名為Nebula）每個都有大約15個Markforged 3D打印零件)

 

挑戰

每個賽道的地形都大不相同。有些挑戰是在崎嶇的地形上，有些挑戰為光線較暗的場景，有些挑戰甚至要在階梯中行走。自主機器人必須能夠在惡劣的條件下導航，這在測試過程中通常會導致機器人跌落並損壞關鍵零件。CoSTAR團隊不僅需要提前準備好抗衝擊，輕巧的防護系統，而且還需要對損壞的零件進行快速的現場維護，並在兩次運行之間快速設計變更以保持競爭優勢。如果零件在現場發生故障，則可能導致CoSTAR無法完成比賽。團隊經常進入未知領域，因此他們需要必要的工具來快速做出反應。

該團隊正在與Boston Dynamics合作，並為比賽租用了一些Spot機器人。CoSTAR的工程師和設計師必須快速設計並創建額外的組件，例如支架和外殼，以確保Spot能夠成功完成比賽。以前，他們使用木材，機械加工或雷射切割機來製造零件。他們知道他們需要另一個選擇來保持領先地位，而3D列印是快速的，是在需要更換固定零件時的理想解決方案。

為了滿足這一需求，該團隊帶來了一款簡單的FDM 3D打印機，使用PLA材料。但是，它只能列印對原型有用的零件，而不是最終生產的零件，實際上，零件的強度不足以保護機器人進入不確定的地形，並有可能使關鍵零件損壞而無法在現場使用。一個關鍵的例子是機器人頂部的昂貴的雷達感應器，必須不惜一切代價加以保護。用於保護它的材料必須具有很高的剛度和減振性，以使來自感應器的信號能夠提供有效的數據。該團隊還發現，他們的PLA材料 列印的零件的表面粗糙且不准確，因此，他們在列印後花費太多的時間研磨零件。


(3D團隊為其價值7,000美元的雷達傳感器打印了一個“籠子”，該傳感器經過幾次敲擊卻從未受到損壞)

 

解決方案

幸運的是，該團隊使用了Markforged 3D列印機。當CoSTAR團隊的一些成員為JPL工作時，該團隊已經掌握了Markforged 3D列印機和強大的雲端Eiger軟體，可以生產出重量輕，堅固，功能強大的零件，而沒有任何幾何形狀限制。團隊意識到Markforged是滿足其所有要求的可靠選擇。研究小組發現，使用Markforged列印的支架和安裝架，實際上勝過了鋁製支架，並且重量更輕。最重要的是，Markforged列印的零件可以被敲打並重複使用，而不會發生任何故障。團隊使用了許多連續性碳纖維增強材料，為7,000美元的雷達感應器量身製作了3D列印的籠子。雖然零件受到了一些撞擊，但雷達感應器從未遭受任何損壞。

在比賽中，團隊在Markforged合作夥伴GovSmart的幫助下，將Markforged機器的數量從一台增加到三台。Markforged隨後在2020年贊助了該團隊，並提供了第四台機器。CoSTAR將零件帶入了前兩個挑戰，將其中幾台列印機安裝在自己的酒店房間中，隔夜生產零件供第二天現場使用。對他們而言，3D列印機的穩定性對團隊而言極為重要，因為他們通常會花很長的時間來設計零件，希望能在第二天早上進行測試和組裝。幸運的是，他們的Mark Two 3D列印機交付了高質量的產品。

未來

DARPA地下挑戰賽可能只是某些比賽，但遠遠超過CoSTAR。對他們而言，這一挑戰是開展月球，火星甚至土星和木星某些衛星地下探勘的起點。通過構建比賽的機器人能力，該團隊希望使未來的NASA JPL任務能夠探索地下環境，以了解生命的發展，其他星球上是否有生命以及未來是否有人類居住的潛力。增材製造技術正在幫助他們，證明新技術可以使他們成功。

Markforged自豪成為CoSTAR的供應商和讚助商。

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