像許多工程師一樣，莎拉·唐斯說她從小就知道自己想從事STEM職業。她在俄克拉荷馬州塔爾薩市上中學時，通過參加第一樂高聯賽隊伍接觸了機器人技術，並深深愛上了這個領域。唐斯在2014年至2016年間參與了這項國際機器人項目。
觀看PBS關於NASA火星探測器"勇氣號"和"機遇號"的特別節目，以及2011年現場直播的"好奇號"探測器發射，讓這位少女萌生了在NASA工作的職業夢想。
今年，這位IEEE研究生會員實現了那個夢想。在塔爾薩大學攻讀電氣工程碩士學位期間，她與NASA及美國空軍合作，完成了一項算法的畢業設計項目。她開發的算法能夠讓在太空中組裝衛星的機器人將天線精確插入正確位置，解決了機器人領域經典的"插孔"問題，即將物體插入對應孔洞的難題。如今，唐斯已成為德克薩斯農工大學電氣工程專業的博士生，繼續從事衛星組裝與操控研究，"但規模要大得多"。
追隨童年的熱情
唐斯在塔爾薩地區長大。她的父親曾任石油和天然氣行業的安全顧問，於2015年因心臟病去世，當時她年僅13歲。她的母親原本在家照顧患有自閉症的弟弟，父親去世後，母親重返大學攻讀商學學士學位以維持家用。
"我們收入不多，媽媽總是為錢擔心，"唐斯說，"這讓我更意識到找一份成功職業的重要性，特別是在收入方面。"
此後，每當她考慮未來的職業方向時，獲得足夠的薪酬來支撐家庭始終是她的重要考量。她說，投身機器人領域，既能追隨熱情，也能獲得經濟保障。
高中時，唐斯加入了第一機器人俱樂部，並發現自己對同學們共同搭建的機器中所使用的電氣元件格外著迷。高中最後兩年，她參加了塔爾薩技術學院的延伸課程項目，每天上半天高中課程，另外半天在這所職業學校修讀工程課程。
2020年高中畢業後，她獲得獎學金進入塔爾薩大學就讀。大一入學時，她尚未確定是主修電氣工程還是機械工程，但對小型系統的熱愛最終幫助她選擇了電氣工程。
大四的畢業設計項目中，她和兩位同學為塔爾薩航空航天博物館設計了一個月球著陸器展覽，創作了一款模擬月球和火星表面任務的互動遊戲。三台電腦顯示器上列出了月球、金星、火星和土衛六四個天體，參觀者可以使用遊戲控制器探索每個天體的虛擬表面。該展覽至今仍在展出。
2024年，唐斯獲得電氣工程學士學位，並繼續攻讀該校電氣工程碩士項目。
機器人：比人們想像的既更簡單又更複雜
開始研究生學習時，唐斯原本應參與一個為期兩年的NASA機器人項目。但政府資金延遲導致項目推遲啟動，她在第一年轉而加入了學校新成立的機器人與自主化研究所，該研究所的主要方向是開發輔助行動障礙人士的機器人。
受患有嚴重關節炎、只能依靠輪椅生活的祖母啟發，唐斯開發了一款輔助老年人和輪椅使用者獨立生活的機械臂。這款機械臂能夠識別物品並將其放置在家中的適當位置，例如從購物袋中取出特定物品並放上貨架或分裝到不同容器中。
2025年升入二年級之前，NASA項目終於獲得了政府資金支持。她開發了一款無需視覺系統即可完成插孔任務的機器人。通常情況下，攝影機會輔助引導機器人的衛星組裝工作。然而在太空這一惡劣且偏遠的環境中，攝影機可能發生故障或產生信號延遲。
"不要停止提問。在工程領域尤其如此，不要假裝自己無所不知，因為科學的本質就是不斷渴望學習和傾聽。"
唐斯的機械臂不依賴攝影機，而是採用基於力覺的插入方式來感知周圍物體的位置與姿態。機械臂鬆動地夾持天線，藉助夾爪上的扭矩傳感器"感知"衛星與天線相對位置的力反饋，再引導天線組件插入衛星上的目標開口，並在粘合過程中保持位置穩定。
更複雜的是，機器人需要在零重力條件下完成上述操作。
"在失重狀態下，你必須考慮機械臂對衛星產生的反應力矩，以免將衛星甩入太空，"唐斯說。插入過程中機械臂的任何運動，尤其是力增大時，都可能導致衛星繼續沿該方向漂移。
為此，唐斯正在進行計算，通過施加定向反向推力來抵消機械臂運動產生的力。
她說，自己的研究生項目體現了機器人技術中令她著迷的那種"簡單與複雜並存"的特質。
"我認為機器人技術既比人們想像的更複雜，也更簡單，"她說，"說簡單是因為，要開始給機器人編程，你只需要它的Denavit-Hartenberg參數，就能實現很多功能。"她提到，這四個參數用於描述機械臂和操縱器的位置與姿態，"無論夾爪和自由度如何不同，從根本上說，所有機器人操縱器都從這裡出發。"
"但是，"她補充道，"我們對機器人如何與環境交互的理解仍在不斷深化。哪怕是對我們來說再簡單不過的事，比如操控一支筆，對機器人來說依然極其複雜。"
唐斯目前正在德克薩斯農工大學機器人與自動化設計實驗室（RAD Lab）的機器人太空模擬器項目中完成她的博士論文。該實驗室專注於研發能在極端環境中運行的機器，並與NASA保持合作。
她的論文導師勞勃·安布羅斯是NASA資深專家，於2022年創立了RAD實驗室。這位IEEE會員還將擔任學校太空研究所的副所長，該研究所計劃於今年在休斯頓開放，建設地點緊鄰喬韓森航天中心。
唐斯說，完成博士學業後，她希望有朝一日能在NASA工作，開發在火星上採集樣本的探測車，或在空間站執行任務的機械臂。
走出工程師的圈子
唐斯於2020年大一入讀塔爾薩大學時加入IEEE，希望更多參與校園內的電氣工程活動。彼時，新冠疫情使各類社團和組織無法線下集會。
她積極參與所在學校的IEEE學生分會，並當選為2022至2024年度主席。在她的帶領下，分會活動從零星舉辦發展為每兩周舉辦一次。
活動內容包括午餐學習會和晚宴，將學生與職業工程師及校友聯結起來。唐斯還組織了焊接、3D列印、CAD建模和簡歷製作等實操工作坊。
在她的推動下，分會執行委員會成員從約5人增長至2023年的25人，同年她組織的焊接工作坊吸引了約80名學生參與。
她說自己很享受與IEEE合作的經歷，尤其是"與校友互動、向工程師學習"。
她表示，IEEE是一個很好的人脈資源，並指出"新冠疫情期間，工程專業學生都困在自己的圈子裡"，IEEE的活動幫助學生建立了對職業發展大有裨益的人脈關係。
"人脈非常重要，在當今競爭激烈的就業市場中尤為如此，"她說，"很大程度上，靠的是你認識誰，以及別人如何看待你的工作態度。"
目前擔任塔爾薩大學IEEE學生分會研究生顧問的唐斯說，她親眼見證了學生分會網路給成員帶來的實際好處。
"他們中有很多人通過IEEE找到了工作。"
工程師的工作與人脈之道
擔任塔爾薩大學IEEE學生分會研究生顧問期間，唐斯注意到許多工程大學生畢業時缺乏任何實踐經驗，無論是項目經歷還是實習經歷。
"他們的簡歷非常單薄，沒有任何技術能力的佐證，"她說。
而她本人在大二結束後在塔爾薩國際機場美國航空維修基地完成了一次設施工程實習，大三結束後及畢業後又在塔爾薩郊外的飛行安全國際公司擔任電氣工程實習生，該公司專注於飛行模擬器的設計、製造與維護。
她對大學生的建議是：通過參與研究項目乃至個人興趣項目，磨練並展示自己的硬技能與軟技能。
"樹莓派的價格並不貴，你可以馬上開始用它做項目，"她說，同時建議學生參加學校的工程興趣小組和專業組織。
"主動出擊，加入一個研究團隊，"她說，"這是向別人展示你是一個優秀合作者、能在該領域出色完成工作的好方式。"
她補充說，這也是持續學習的絕佳途徑，而正是這種學習的渴望，讓她選擇了一個在過去一個世紀內才逐步發展成熟的領域。
"我們對機器人的探索從未停止，"她說，"不要停止提問，在工程領域尤其如此，不要假裝自己無所不知，因為科學的本質就是不斷渴望學習和傾聽。"
Q&A
Q1：莎拉·唐斯開發的衛星天線安裝算法是如何工作的？
A：唐斯開發的算法讓機械臂無需攝影機，通過基於力覺的插入方式完成天線安裝。機械臂鬆動夾持天線，利用夾爪上的扭矩傳感器"感知"衛星與天線相對位置的力反饋，從而將天線精確插入衛星目標開口，並在粘合過程中保持穩定。這種方式有效解決了太空環境中攝影機易故障或產生延遲的問題。
Q2：在零重力環境下進行衛星裝配，機器人面臨哪些特殊挑戰？
A：在零重力條件下，機械臂的任何運動都可能產生反應力矩，導致衛星向受力方向漂移，甚至被甩入太空。為應對這一問題，唐斯正在進行計算，通過施加定向反向推力來抵消機械臂運動產生的力，從而保證裝配操作的精準與安全。
Q3：莎拉·唐斯對工程專業學生在求職方面有哪些建議？
A：唐斯建議工程專業學生儘早積累實踐經驗，通過參與研究項目、個人興趣項目或實習來充實簡歷。她還建議利用樹莓派等低成本工具自學動手，同時積極加入IEEE等專業組織拓展人脈。她強調，在當今競爭激烈的就業市場中，人脈關係和工作態度同樣至關重要。
