德州農工大學研究生開發NASA太空機器人組裝演算法——Sarah Downs實現童年夢想
德州農工大學電機工程博士生Sarah Downs在碩士階段與NASA及美國空軍合作，開發出革新性的機器人演算法。該演算法讓機器人無需視覺系統，透過力回饋和扭矩感測，在太空中精準完成衛星天線組裝，解決機器人領域的「插孔問題」。她同時克服了零重力環境下的反作用力挑戰。Downs受童年時期觀看NASA火星探測車節目啟發，立志進入太空機器人領域，並在大學期間積極參與IEEE活動，推動校園機器人社群發展。
德州農工大學電機工程博士生Sarah Downs與NASA及美國空軍合作，開發出不依賴視覺系統的機器人演算法，讓衛星組裝機器人在太空中精準完成天線插裝，解決機器人領域經典難題。
重點速覽
- Sarah Downs開發無視覺系統演算法，機器人透過力回饋感測完成衛星天線插裝任務。
- 演算法解決「插孔問題」，採用扭矩感測器而非攝影機，適應太空嚴苛環境。
- Downs克服零重力環境挑戰，計算反向推力抵消機器人動作產生的反作用力矩。
- 她主導塔爾薩大學IEEE學生分會會長任期內，成員從5人增至25人，年度焊接工坊吸引80名學生。
- Downs目標是畢業後進入NASA，開發火星樣本採集探測車或太空站機器人手臂。
文章重點
- Sarah Downs在塔爾薩大學碩士階段與NASA及美國空軍合作，開發出讓衛星組裝機器人解決「插孔問題」的演算法。
- 她的機器人手臂不依賴攝影機，改用扭矩感測器的力回饋感測，以應對太空環境中攝影機可能故障或延遲的問題。
- Downs現為德州農工大學RAD實驗室博士生，指導教授Robert Ambrose為2022年創立該實驗室的NASA資深人員。
- 她擔任IEEE學生分會會長期間，將分會執行委員會成員從約5人擴增至2023年的25人，單場焊接工作坊吸引約80名學生。
- 零重力環境下衛星組裝需計算定向反向推力，以抵消機器人手臂動作對衛星造成的反作用力矩，防止衛星被彈飛。
從火星夢想到太空機器人實踐
德州農工大學電機工程博士生Sarah Downs的職業軌跡，源自於青少年時期的一個簡單夢想。她在塔爾薩市就讀中學期間加入First Lego League國際機器人競賽，自此愛上機器人技術。當她在2011年親眼目睹NASA Curiosity火星探測車發射直播後，這個夢想便轉變為明確的人生目標——為NASA開發太空機器人。
經歷了父親早逝、家庭經濟困頓的挑戰，Downs更加堅定了投身工程領域的決心。她高中時期同時修習塔爾薩科技學院的工程課程，2020年獲得獎學金進入塔爾薩大學，最終選擇了電機工程主修，因為她對小型系統的電子元件特別著迷。
無視覺系統的衛星組裝突破
2025年，Downs在攻讀電機工程碩士學位期間，終於獲得與NASA及美國空軍合作的機會。她開發的演算法解決了機器人領域經典的「插孔問題」——如何精準將物體插入對應孔洞。傳統做法依賴攝影機進行視覺引導，但在太空這個嚴苛且遙遠的環境中，攝影機可能故障或產生訊號延遲。
Downs的創新方案採用基於力回饋的插入程序，機器人以較鬆的握力夾住衛星天線，透過夾爪上的扭矩感測器「感受」衛星與天線之間相對位置的力回饋，進而引導天線組件精準插入目標開口。這套系統完全不依賴視覺系統，大幅提升了太空環境中的可靠性。
克服零重力環境的物理挑戰
太空組裝任務的複雜性遠超地面作業。在零重力環境下，機器人手臂對衛星產生的任何動作都可能造成反作用力矩，進而將衛星彈射到太空中。Downs必須進行複雜的力學計算，以定向反向推力來抵消機器人動作產生的力，確保衛星保持穩定位置。
她說：「在沒有重力的情況下，你必須考量手臂對衛星產生的反作用力矩，插入過程中手臂的任何動作，尤其是力量增大時，都可能造成衛星持續朝該方向移動。」
推動校園機器人社群發展
Downs於2020年加入IEEE，致力於推動塔爾薩大學IEEE學生分會的發展。在她擔任會長期間（2022-2024年），分會從偶爾舉辦幾場活動，成長到每兩週舉辦一次的規模，執行委員會成員從5人增加到25人。2023年她組織的焊接工作坊吸引約80名學生參與。
Downs強調人際網絡在工程職涯中的重要性。她指出，許多電機工程畢業生缺乏實作經驗和技術能力的佐證，因此她鼓勵學生透過研究計畫、個人熱情項目或學校社群來磨練硬實力與軟實力。她自己曾在美國航空維修設施和Flight Safety International完成實習，獲得寶貴的實務經驗。
未來願景與學習哲學
現為德州農工大學機器人暨自動化設計實驗室（RAD Lab）博士生的Downs，師從NASA資深人員Robert Ambrose，正在進行更大規模的衛星組裝與操控研究。她對機器人領域充滿熱情，認為「機器人既比人們想像的更複雜，也比人們想像的更簡單」。
儘管基本的Denavit-Hartenberg參數可以快速上手，但機器人與環境互動的原理仍有大量未知。「我們對機器人如何與環境互動仍有太多需要學習。即使是對我們來說很簡單的事，像是操控一支筆，對機器人來說仍然極度複雜。」
取得博士學位後，Downs希望在NASA工作，開發從火星採集樣本的探測車，或在太空站執行任務的機器人手臂。她給年輕工程師的建議是：「不要停止發問。尤其在工程領域，不要假裝自己什麼都懂，因為科學的本質就是不斷渴望學習和聆聽。」
對台灣業者的意義
Sarah Downs的研究對台灣無人機與機器人產業具有參考價值。首先，她在視覺系統失效環境中開發力回饋演算法的做法，可適用於台灣廠商開發的基礎設施巡檢無人機、外牆清洗無人機在複雜環境（如隧道、煙霧、逆光）中的操作。其次，她強調人際網絡與實作經驗的重要性，對台灣工程教育與業界人才培育具啟發意義。第三，零重力環境下的反作用力計算，可供台灣研究機構或新興太空技術廠商參考。第四，她的力觸覺感測技術路線有助於台灣發展更強健的自主機器人系統，不依賴視覺感測的演算法可降低極端環境操作的風險。
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本文由 LAETimes 編輯部審核發佈 ·
