像许多工程师一样，莎拉·唐斯说她从小就知道自己想从事STEM职业。她在俄克拉荷马州塔尔萨市上中学时，通过参加第一乐高联赛队伍接触了机器人技术，并深深爱上了这个领域。唐斯在2014年至2016年间参与了这项国际机器人项目。
观看PBS关于NASA火星探测器"勇气号"和"机遇号"的特别节目，以及2011年现场直播的"好奇号"探测器发射，让这位少女萌生了在NASA工作的职业梦想。
今年，这位IEEE研究生会员实现了那个梦想。在塔尔萨大学攻读电气工程硕士学位期间，她与NASA及美国空军合作，完成了一项算法的毕业设计项目。她开发的算法能够让在太空中组装卫星的机器人将天线精确插入正确位置，解决了机器人领域经典的"插孔"问题，即将物体插入对应孔洞的难题。如今，唐斯已成为德克萨斯农工大学电气工程专业的博士生，继续从事卫星组装与操控研究，"但规模要大得多"。
追随童年的热情
唐斯在塔尔萨地区长大。她的父亲曾任石油和天然气行业的安全顾问，于2015年因心脏病去世，当时她年仅13岁。她的母亲原本在家照顾患有自闭症的弟弟，父亲去世后，母亲重返大学攻读商学学士学位以维持家用。
"我们收入不多，妈妈总是为钱担心，"唐斯说，"这让我更意识到找一份成功职业的重要性，特别是在收入方面。"
此后，每当她考虑未来的职业方向时，获得足够的薪酬来支撑家庭始终是她的重要考量。她说，投身机器人领域，既能追随热情，也能获得经济保障。
高中时，唐斯加入了第一机器人俱乐部，并发现自己对同学们共同搭建的机器中所使用的电气元件格外着迷。高中最后两年，她参加了塔尔萨技术学院的延伸课程项目，每天上半天高中课程，另外半天在这所职业学校修读工程课程。
2020年高中毕业后，她获得奖学金进入塔尔萨大学就读。大一入学时，她尚未确定是主修电气工程还是机械工程，但对小型系统的热爱最终帮助她选择了电气工程。
大四的毕业设计项目中，她和两位同学为塔尔萨航空航天博物馆设计了一个月球着陆器展览，创作了一款模拟月球和火星表面任务的互动游戏。三台电脑显示器上列出了月球、金星、火星和土卫六四个天体，参观者可以使用游戏手柄探索每个天体的虚拟表面。该展览至今仍在展出。
2024年，唐斯获得电气工程学士学位，并继续攻读该校电气工程硕士项目。
机器人：比人们想象的既更简单又更复杂
开始研究生学习时，唐斯原本应参与一个为期两年的NASA机器人项目。但政府资金延迟导致项目推迟启动，她在第一年转而加入了学校新成立的机器人与自主化研究所，该研究所的主要方向是开发辅助行动障碍人士的机器人。
受患有严重关节炎、只能依靠轮椅生活的祖母启发，唐斯开发了一款辅助老年人和轮椅使用者独立生活的机械臂。这款机械臂能够识别物品并将其放置在家中的适当位置，例如从购物袋中取出特定物品并放上货架或分装到不同容器中。
2025年升入二年级之前，NASA项目终于获得了政府资金支持。她开发了一款无需视觉系统即可完成插孔任务的机器人。通常情况下，摄像头会辅助引导机器人的卫星组装工作。然而在太空这一恶劣且偏远的环境中，摄像头可能发生故障或产生信号延迟。
"不要停止提问。在工程领域尤其如此，不要假装自己无所不知，因为科学的本质就是不断渴望学习和倾听。"
唐斯的机械臂不依赖摄像头，而是采用基于力觉的插入方式来感知周围物体的位置与姿态。机械臂松动地夹持天线，借助夹爪上的扭矩传感器"感知"卫星与天线相对位置的力反馈，再引导天线组件插入卫星上的目标开口，并在粘合过程中保持位置稳定。
更复杂的是，机器人需要在零重力条件下完成上述操作。
"在失重状态下，你必须考虑机械臂对卫星产生的反应力矩，以免将卫星甩入太空，"唐斯说。插入过程中机械臂的任何运动，尤其是力增大时，都可能导致卫星继续沿该方向漂移。
为此，唐斯正在进行计算，通过施加定向反向推力来抵消机械臂运动产生的力。
她说，自己的研究生项目体现了机器人技术中令她着迷的那种"简单与复杂并存"的特质。
"我认为机器人技术既比人们想象的更复杂，也更简单，"她说，"说简单是因为，要开始给机器人编程，你只需要它的Denavit-Hartenberg参数，就能实现很多功能。"她提到，这四个参数用于描述机械臂和操纵器的位置与姿态，"无论夹爪和自由度如何不同，从根本上说，所有机器人操纵器都从这里出发。"
"但是，"她补充道，"我们对机器人如何与环境交互的理解仍在不断深化。哪怕是对我们来说再简单不过的事，比如操控一支笔，对机器人来说依然极其复杂。"
唐斯目前正在德克萨斯农工大学机器人与自动化设计实验室（RAD Lab）的机器人太空模拟器项目中完成她的博士论文。该实验室专注于研发能在极端环境中运行的机器，并与NASA保持合作。
她的论文导师罗伯特·安布罗斯是NASA资深专家，于2022年创立了RAD实验室。这位IEEE会员还将担任学校太空研究所的副所长，该研究所计划于今年在休斯顿开放，建设地点紧邻约翰逊航天中心。
唐斯说，完成博士学业后，她希望有朝一日能在NASA工作，开发在火星上采集样本的探测车，或在空间站执行任务的机械臂。
走出工程师的圈子
唐斯于2020年大一入读塔尔萨大学时加入IEEE，希望更多参与校园内的电气工程活动。彼时，新冠疫情使各类社团和组织无法线下集会。
她积极参与所在学校的IEEE学生分会，并当选为2022至2024年度主席。在她的带领下，分会活动从零星举办发展为每两周举办一次。
活动内容包括午餐学习会和晚宴，将学生与职业工程师及校友联结起来。唐斯还组织了焊接、3D打印、CAD建模和简历制作等实操工作坊。
在她的推动下，分会执行委员会成员从约5人增长至2023年的25人，同年她组织的焊接工作坊吸引了约80名学生参与。
她说自己很享受与IEEE合作的经历，尤其是"与校友互动、向工程师学习"。
她表示，IEEE是一个很好的人脉资源，并指出"新冠疫情期间，工程专业学生都困在自己的圈子里"，IEEE的活动帮助学生建立了对职业发展大有裨益的人脉关系。
"人脉非常重要，在当今竞争激烈的就业市场中尤为如此，"她说，"很大程度上，靠的是你认识谁，以及别人如何看待你的工作态度。"
目前担任塔尔萨大学IEEE学生分会研究生顾问的唐斯说，她亲眼见证了学生分会网络给成员带来的实际好处。
"他们中有很多人通过IEEE找到了工作。"
工程师的工作与人脉之道
担任塔尔萨大学IEEE学生分会研究生顾问期间，唐斯注意到许多工程本科生毕业时缺乏任何实践经验，无论是项目经历还是实习经历。
"他们的简历非常单薄，没有任何技术能力的佐证，"她说。
而她本人在大二结束后在塔尔萨国际机场美国航空维修基地完成了一次设施工程实习，大三结束后及毕业后又在塔尔萨郊外的飞行安全国际公司担任电气工程实习生，该公司专注于飞行模拟器的设计、制造与维护。
她对本科生的建议是：通过参与研究项目乃至个人兴趣项目，磨练并展示自己的硬技能与软技能。
"树莓派的价格并不贵，你可以马上开始用它做项目，"她说，同时建议学生参加学校的工程兴趣小组和专业组织。
"主动出击，加入一个研究团队，"她说，"这是向别人展示你是一个优秀合作者、能在该领域出色完成工作的好方式。"
她补充说，这也是持续学习的绝佳途径，而正是这种学习的渴望，让她选择了一个在过去一个世纪内才逐步发展成熟的领域。
"我们对机器人的探索从未停止，"她说，"不要停止提问，在工程领域尤其如此，不要假装自己无所不知，因为科学的本质就是不断渴望学习和倾听。"
Q&A
Q1：莎拉·唐斯开发的卫星天线安装算法是如何工作的？
A：唐斯开发的算法让机械臂无需摄像头，通过基于力觉的插入方式完成天线安装。机械臂松动夹持天线，利用夹爪上的扭矩传感器"感知"卫星与天线相对位置的力反馈，从而将天线精确插入卫星目标开口，并在粘合过程中保持稳定。这种方式有效解决了太空环境中摄像头易故障或产生延迟的问题。
Q2：在零重力环境下进行卫星装配，机器人面临哪些特殊挑战？
A：在零重力条件下，机械臂的任何运动都可能产生反应力矩，导致卫星向受力方向漂移，甚至被甩入太空。为应对这一问题，唐斯正在进行计算，通过施加定向反向推力来抵消机械臂运动产生的力，从而保证装配操作的精准与安全。
Q3：莎拉·唐斯对工程专业学生在求职方面有哪些建议？
A：唐斯建议工程专业学生尽早积累实践经验，通过参与研究项目、个人兴趣项目或实习来充实简历。她还建议利用树莓派等低成本工具自学动手，同时积极加入IEEE等专业组织拓展人脉。她强调，在当今竞争激烈的就业市场中，人脉关系和工作态度同样至关重要。
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