正如火星好奇号探测器的“七分钟的恐怖”视频所展示的那样，着陆在遥远的星球上可能极其困难。现在，科学家们设想了一种可以从太空直接投放到土星最大的卫星泰坦的机器人，一种球形的机器人，它不需要安全气囊来缓冲着陆，因为它整个柔韧的身体本身就是一个缓冲垫。然后，在机器人撞击泰坦表面并变形后，它可以像滚草一样在异星地貌上滚动探索。
这个“超级球形机器人”是NASA机器人专家Vytas SunSpiral（是的，这是他的真名）以及Adrian Agogino和他们的同事们的设想，他们计划在9月中旬前开发出完整的原型机。在开发这个机器人的过程中，他们可能已经开创了一个革命性的新类别的机器人。
超级球形机器人看起来有点像一个线和棍子组成的十字交叉。位于杆末端的电机、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线松弛，哪些线绷紧，机器人就可以折叠、展开或滚动。机器人会将科学仪器载荷悬挂在其身体的中央，并在需要时将其降低到地面以分析表面和收集样本。机器人中的无线通信系统将允许用户远程控制机器人。
这个机器人是一个“张力整体结构”，简称“张力整体”——一种结合了受张力的元素（电缆）和刚性元素（杆）的结构。这种结构原理最早由雕塑家Kenneth Snelson在20世纪40年代发现，并在20世纪60年代由发明家Buckminster Fuller用于建筑。随后的研究在生物学中发现了张力整体——例如，人类脊柱依靠椎骨以及 surrounding and supporting the bones 的肌肉、肌腱和韧带。
SunSpiral说：“我们正在超越建造刚性机器人的传统方法，因为在刚性机器人中，力会在关节和其他常见的故障点周围放大，而我们依赖张力整体，它将力分散到整个结构中，来建造尖端机器人。通过拥有一个能够吸收巨大力的机器人，你可以拥有一个既能着陆又能移动的系统，而不是像一次性使用的安全气囊。这节省了任务中需要携带的大量质量，从而节省了成本。”
对于泰坦，研究人员设想将超级球形机器人用隔热罩包裹起来，以防止它们在大气层中燃烧。泰坦的表面重力略大于地球的七分之一，这意味着机器人在泰坦浓厚大气层中的终极速度（即它们能达到的最快速度）约为33英里/小时，大约相当于在地球上从30英尺高度坠落的速度。“我们早期测试的原型机可以承受那种程度的撞击，”SunSpiral说。
这些机器人在火星上着陆会更困难，因为火星的大气层比泰坦稀薄，重力也比泰坦强，这意味着它们的终极速度会更高。“但也许一个简单的降落伞就能减缓它们的速度，使之安全着陆，”SunSpiral说。“我们仍在研究这些机器人能够承受的最高着陆速度。”
即使这些机器人着陆时任何部分损坏，由于张力整体的每个部分都相互依赖，如果一些部分损坏，机器人的其他部分就可以弥补。“我们预计有些部件可能会失效，”比利时根特大学的机器人专家Ken Caluwaerts说。“我们正在开发一个分布式控制系统，以便即使有四分之一的电机失效，结构也应该能够继续滚动。”
“你可以让它们从悬崖边滚下去，或者沿着熔岩管滑下去。”
这些机器人的潜在坚固性意味着它们可以承担传统机器人不敢承担的风险——SunSpiral说，“你可以让它们从悬崖边滚下去，或者沿着熔岩管滑下去。”此外，张力整体机器人通常可以被压缩成紧凑的形状，这在空间狭小的太空任务中至关重要。此外，机器人所有的控制系统都装在每个杆的末端的盖子里，“这意味着我们可以制造各种尺寸的机器人——如果需要，我们可以通过改变杆的长度，将机器人放大一倍或缩小一半，”SunSpiral说。
哈佛大学机器人专家Sam Felton（未参与此研究）说：“这项工作非常迷人。“这些张力整体机器人拥有巨大的潜力，我期待看到它们还能学会哪些新技能。”
SunSpiral表示，尽管张力整体结构的力量来自于每个部分对其他部分的相互依赖，但这一特性也使得设计和控制张力整体机器人极其困难。“模拟这些结构与环境的各种相互作用也非常困难，”他补充道。
为了控制这些受生物启发的机器人，SunSpiral和他的同事们开发了一个受生物启发的控制系统。他们开发了模仿中枢模式生成器的机器人控制算法。中枢模式生成器是动物体内的神经回路，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，“就像你我无需思考就能呼吸一样，”Felton说。此外，研究人员还开发了一种方法，通过进化算法让机器人能够自主学习滚动，这对于在另一个星球上独立运行的机器人来说非常宝贵，因为那里的运动规则可能与地球不同。
科学家们正在开发的这个原型大约呈球形，重约35磅，直径约5英尺。SunSpiral和他的同事们预计将在9月中旬准备好在室外的漫游车测试设施中进行测试。但SunSpiral说，“在它成为NASA任务之前，还有很多工作要做。”
为了帮助实现张力整体机器人的愿景，SunSpiral和他的同事们发布了开源的NASA张力整体机器人工具包，该工具包是免费在线的，并且基于Bullet Physics引擎，一个游戏物理模拟器。他们还在开发“低成本、易于使用的张力整体机器人套件，方便人们组装新的张力整体机器人，供学生和研究人员进行实验，”SunSpiral说。“我们希望让世界各地的人们探索这个革命性的概念，以帮助开辟新天地。”
