研究生為NASA機器人賦予組裝技能——Sarah Downs的太空機器人之路

研究生為NASA機器人賦予組裝技能

和許多工程師一樣，Sarah Downs說她從小就知道自己想從事STEM相關職業。青少年時期，她透過奧克拉荷馬州塔爾薩市（Tulsa, Okla.）就讀的國中的First Lego League隊伍接觸到機器人技術，並深深愛上這個領域。Downs從2014年到2016年參與這個國際機器人競賽計畫。

觀看PBS關於NASA火星探測車Spirit和Opportunity的特別節目，以及在2011年親眼目睹Curiosity探測車發射直播，激勵了這位青少年夢想有朝一日能為NASA工作。

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Sarah Downs

• 會員級別：研究生會員
• 就讀學校：德州農工大學（Texas A&M University），位於科利奇斯特申（College Station）
• 主修：電機工程

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今年，這位IEEE研究生會員實現了她的夢想。在塔爾薩大學（University of Tulsa）攻讀電機工程碩士學位的最後一個專題計畫中，她與NASA及美國空軍合作開發了一套演算法。

她開發的演算法，能讓在太空中組裝衛星的機器人將天線插入正確位置，解決機器人領域經典的「插孔問題」（peg-in-hole problem）——即將物體插入對應孔洞的挑戰。

現為德州農工大學電機工程博士生的Downs，正持續她的衛星組裝與操控研究，「但規模大了許多，」她說。

追尋童年的熱情

Downs在塔爾薩地區長大。她的父親在2015年因心臟病去世，當時她年僅13歲，父親生前是石油天然氣產業的安全顧問。她的母親則在家照顧患有自閉症的弟弟。父親過世後，母親重返校園攻讀商業學士學位，以便養活一家人。

「我們家收入不多，媽媽總是為錢煩惱，」Downs說。「這讓我更意識到，擁有一份成功的職業——在金錢層面上——是多麼重要。」

從那時起，每當她思考未來職業時，能有足夠收入養家始終是她的首要考量。她說，投身機器人領域，讓她得以在追求熱情的同時獲得財務保障。

高中時，Downs加入了First機器人社團，在那裡她發現自己對機器中使用的電子元件特別著迷。高中最後兩年，她參加了塔爾薩科技學院（Tulsa Tech）的延伸課程，每天一半時間上高中課，另一半時間在這所職業學校修習工程課程。

2020年畢業後，她獲得獎學金進入塔爾薩大學就讀。她說，大一入學時還不確定要主修電機還是機械工程，最終是對小型系統的熱愛讓她選擇了電機工程。

大四的畢業專題計畫中，她和兩位同學為塔爾薩航空暨太空博物館（Tulsa Air and Space Museum）設計了一個月球登陸展示裝置，製作了一款模擬月球和火星表面任務的互動遊戲。三台電腦螢幕上列出了四個天體——月球、金星、火星和土衛六（Titan）。博物館訪客可以用遊戲手把探索各天體的虛擬表面，這個展示至今仍在展出中。

Downs於2024年取得電機工程學士學位，並繼續攻讀該校電機工程碩士學位。

比人們想像的既更複雜又更簡單

當Downs開始研究所學業時，原本預計要參與一個為期兩年的NASA機器人計畫。但由於政府資金延遲，計畫延宕，她便在第一年加入了學校新成立的機器人與自主系統研究所（Institute for Robotics and Autonomy），該研究所的主要目標是開發協助行動不便人士的機器人。

受到因嚴重關節炎而需乘坐輪椅的祖母啟發，Downs開發了一款協助老年人和輪椅使用者獨立生活的機器人手臂。這隻手臂能夠識別物品並將其放置到家中適當位置，例如將購物袋中的特定商品取出，放到架子上或分類容器中。

2025年升上碩士二年級之前，NASA計畫終於獲得了政府資金。她開發出一款不需要任何視覺系統即可完成插孔任務的機器人。通常，攝影機會引導機器人進行衛星組裝工作。但在太空這個嚴苛且遙遠的環境中，攝影機可能發生故障或出現訊號延遲。

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「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。」

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Downs的機器人手臂不依賴攝影機，而是採用基於力回饋的插入程序來感測環境中物體的位置和方向。機器人以較鬆的握力夾住天線，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，再引導天線組件插入衛星上的目標開口，並在黏著固定期間維持位置。

更複雜的是，機器人必須在零重力環境下執行任務。

「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，以避免將衛星彈射到太空中，」Downs說。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。

為了克服這個問題，Downs正在進行計算，以定向反向推力來抵消機器人動作產生的力。

她說，她的研究生計畫捕捉到了機器人技術中那種既簡單又複雜、令她著迷的本質。

「我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，」她說。「其實，你只需要知道機器人的Denavit-Hartenberg參數，就可以開始對其程式設計，並用它做很多事，」她提到描述機器人手臂和操控器位置與方向所需的四個數值。即便有不同的夾爪和自由度，「從根本上來說，所有機器人操控器都從這裡出發，」她說。

「但，」她補充道，「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。」

Downs正在德州農工大學機器人暨自動化設計實驗室（Robotics and Automation Design Lab，RAD Lab）的機器人太空模擬器（Robotic Space Simulator）計畫中完成她的博士論文，該實驗室專注於開發能在極端環境中運作的機器，並與NASA合作。

她的論文指導教授是Robert Ambrose，一位於2022年創立RAD實驗室的NASA資深人員。這位IEEE會員即將出任學校太空研究所（Space Institute）的副所長，該研究所預計今年在休士頓（Houston）開幕，將建於詹森太空中心（Johnson Space Center）旁。

取得博士學位後，Downs說她希望有朝一日能在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。

走出工程師的同溫層

Downs於2020年大一時加入IEEE，目的是更深入參與校園內的電機工程活動。當時，COVID-19疫情使各社團和組織無法實體聚會。

她積極參與學校的IEEE學生分會，並當選2022至2024年會長。在她的領導下，分會從偶爾舉辦幾場活動，增加到每兩週舉辦一次。活動內容包括午餐學習會和晚餐交流，連結學生與專業工程師及校友。Downs也組織了焊接、3D列印、CAD建模及履歷撰寫等實作工作坊。

她的努力使分會的執行委員會成員從約5名學生增加到2023年的25名。同年，她舉辦的焊接工作坊吸引了約80名學生參與。

她說她很享受與IEEE合作的過程，尤其是「與校友交流並向工程師學習」。她指出，IEEE是絕佳的人際網絡資源，「COVID-19疫情期間，工科學生都待在自己的同溫層裡」，IEEE活動幫助學生建立了對未來大有裨益的人脈。

「在今天嚴峻的就業市場中，人脈非常重要，」她說。「很大程度上，這取決於你認識誰，以及別人如何看待你的工作態度。」

目前擔任塔爾薩大學IEEE研究生顧問的Downs說，她親眼目睹了學校學生分會的網絡如何惠及其成員。「他們很多人都因為IEEE而找到了工作，」她說。

工程師的工作與人際網絡

身為IEEE研究生顧問，Downs注意到許多電機工程大學生完成學業時，沒有任何實作經驗——無論是專題計畫還是實習。「他們的履歷非常單薄，也沒有任何技術能力的佐證，」她說。

她自己在大二後曾在塔爾薩國際機場（Tulsa International Airport）美國航空（American Airlines）維修設施完成設施工程實習；大三後和畢業後則在塔爾薩郊外的Flight Safety International擔任電機工程實習生，該公司專門設計、建造和維護自家的飛行模擬器。

她給大學生的建議是透過研究計畫或個人熱情項目，磨練並展現自己的硬實力與軟實力。

「一片Raspberry Pi的費用不高，你可以馬上開始動手，」她說。她補充，學生也可以參加學校的工程興趣社群和專業組織。

「主動出擊，加入研究團隊，」她說。「這是向別人展示你是個好夥伴、你在這個領域能有所貢獻的好方法。」

她也說，這是持續學習的好方式——而這正是吸引她投入這個在過去一個世紀才逐漸發展起來的領域的原因。

「我們仍然不斷在了解機器人，」她說。

「不要停止發問，」她建議學生。「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。」

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