[科普中国]-仿生“粒子”机器人诞生，有望带来一场机器人革命

最近，哥伦比亚大学和麻省理工（MIT）计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究人员合作，制造出一种前所未有的仿生物细胞群体机器人。这种新型机器人由许多松散耦合的简单组件（即“粒子”）组成，每个粒子不能独立运动，只能轻微伸展或收缩，但组合在一起就可以实现自主运动。该机器人不受限于单个粒子的故障，未来还有可能实现自主变形。研究结果于3月20发表在《自然》杂志。现有机器人与人类存在关键的系统差异机器人翻译自英文“robot”，是指可以自动执行工作的机器装置。这个定义更强调的是机器人的功能性而非外型。广义的机器人包括工业机器人（如机械臂等）和特种机器人（除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种机器人总称）。模仿生物外型、神态和动作，从事生物特点工作的机器人统称为仿生机器人。仿生机器人往往是最受专注的一类机器人，事实上，聪明的人类早已经可以制造各种可走、可跑、可爬的仿生机器人。然而，即便是像波士顿机器人Atlas那样能够完成跑、跳、开门、后空翻等各种动作，甚至即便它最终拥有了高水平的人工智能，也与人存在着巨大的系统差异：人类是一个生物系统，而机器人是一个机械系统。不妨思考一下。人体的基本组成单元是细胞，一个成年人约有40万亿~60万亿个细胞，这些细胞无法独自移动，本身功能也非常简单。但这些细胞集合起来，加上有神经系统的“指挥”，有消化系统来生产营养和能量，有血液系统给细胞输送营养和能量，有免疫系统帮助消灭入侵的“敌人”，一个强大的生物系统就诞生了。这个系统可以协调实现走、跑、跳甚至自主思考等各种功能，还能够进行自我调节和自我修复。如果少量细胞死掉了，不仅不会影响到系统的整体运行，甚至还会产生新的细胞进行修复。例如，人骨折之后，通过固定两段骨头，最终会骨头之间的裂缝会慢慢愈合，最终痊愈。而机械系统某个部件的断裂则是永久的，往往需要依靠外界力量（通常是人）来更换部件才能够保证系统的正常运行。仿生物细胞群体机器人诞生：不受制于部件一个多世纪以来，人们一直试图制造出有自主意识的机器人，但这些机器不能像生物那样生长、愈合伤口或从伤害中恢复。科学家们一直致力于开发出真正意义上的仿生机器人，不仅要看起来像一个生物，而且要把它构建成生物系统，用简单的基础部件创造出具有复杂功能的机器人。这类机器人将不受制于部件，即便有部分部件失灵，也能正常工作。想要构造生物系统，首先要制造细胞单元。2019年3月20日，来自哥伦比亚大学和麻省理工学院（MIT）计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究人员在《自然》杂志上合作发表文章称，他们造出一类前所未有的仿生物细胞群体机器人，成功地迈出了第一步。这种新型机器人由许多松散耦合的简单组件（即“粒子”）组成，每个粒子不能独立运动，只能轻微伸展或收缩，但组合在一起，就可以实现机器人的自主运动。来自中国的学者、哈佛大学与麻省理工学院的博士后李曙光，是该研究的共同作者之一。“我们的机器人没有采用集中控制方式，也不存在单点故障的问题。”本文通讯作者Lipson说，“它目前还比较初级，但我们知道这类机器人是可以存在的，甚至有可能解释细胞的运动。”在试验中，研究人员赋予了这些粒子光敏感性。靠近光源的粒子处于更为明亮的光照下，因此会较早开始伸缩。各个粒子的伸缩相互协调，使得机器人内部产生一种波，这种波使它整体向光移动。因此，即使单个粒子不能独立运动，在波的推动下机器人也能进行整体移动。研究团队又与哈佛大学威斯研究所和康奈尔大学合作，建立数学模型对这种机器人的运动进行了模拟。他们模拟了用成百上千的粒子进行大规模障碍规避、物体运输的情景，同时还展示了粒子机器人模型应对部件故障的能力。结果表明，即使20％的粒子停止工作，粒子机器人仍能以完整状态下75%的速度运行。目前的粒子机器人尺寸还比较大，单个粒子直径达到15厘米，与细胞还有很大的差距。研究小组已经开始使用更多厘米级的粒子测试机器人系统，此外他们还在探索其他形式的粒子机器人，例如用对声音、光线或化学梯度做出反应的微珠来制造单个粒子。思想有多远，机器人就能走多远2010年印度上映了一部科幻电影《宝莱坞机器人之恋》，讲述一位天才科学家设计的智能机器人“七弟”被利用而变成了杀人机器的故事。片尾几场大规模鏖战的动作戏激爆眼球，其创意跟仿生物细胞群体机器人不谋而合。电影中“七弟”产生了自我意识，并获得了自我复制的能力，于是他整合几十个分身升级为“变形金刚”，时而幻化成巨蟒吞噬直升机，时而组成巨人在高速公路与汽车火爆追逐。电影中的每一个“七弟”相当于该项研究中的单个粒子，这种粒子自由组合成不同形态机器人的可能，也是该项研究未来将会关注的一个重点方向。该研究的共同领导者、CSAIL主任Daniela Rus说，“在开发粒子机器人的过程中，我们面临的问题是：能否用不同的方式来排列这些粒子‘细胞’，从而根据不同的场景制造出不同的机器人？我们甚至可以赋予这些粒子机器人自主排列组合而改变形态的能力。例如，假如机器人需要从桌子上取一把螺丝刀，而距离太远拿不到，这时如果机器人可以重新排布粒子、让手臂变长，那么问题就可以得到解决。”很显然，生物系统的细胞不会变换位置，无法实现自主排列组合而改变形态的能力，这是粒子机器人仿自生物系统又超越生物系统的地方。这些机器人受程序控制，利用其灵活的变换能力，原则上能够变成任何系统、实现任何功能，为人类生产生活带来便利。人类的思想有多远，仿生机器人就能够走多远。我们很期待，仿生物细胞群体机器人将给人类带来的这场机器人革命。作者 | 鞠思婷 国家纳米科学中心博士审稿 | 林强 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室博士责编 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国