發布日期：2019-03-29

　　李曙光等人開發的機器人系統表明，單個組件的隨機運動可以產生確定性行為，這個過程與生命系統類似，具有環境和醫療方面的應用潛力。

　　在生物學系統中，大規模行為可以通過小規模組件隨機運動的集體耦合和協調來實現。比方說，活細胞在傷口愈合和癌細胞擴散的過程中，會聚集起來集體遷移。

　　正是受到了這些生物學機制的啟發，MIT和哥倫比亞大學的李曙光等人在《自然》近日發表的一篇論文中，報告了一種機器人集群系統：通過將許多可以隨機運動的盤狀組件松散耦合在一起，就能產生確定性運動。研究結果表明，隨機性有望成為開發具有魯棒確定性行為的大規模機器人集群的突破口。

封面圖片：Felice Frankel

　　在李曙光等人開發的系統中，這些盤狀組件無法離開彼此獨立運動，也無法實現單獨操控。此外，每個組件只能在其半徑范圍內振蕩——伸展和收縮，由此實現運動。作者將這一極簡化設置稱為“粒子機器人”。在沒有外部刺激源的情況下，系統只能做隨機運動。但是，通過對這些組件進行編程，調整它們對環境中某個變化信號的響應直徑，它們就會朝著信號方向做集體運動。

　　李曙光等人測試了由24個粒子機器人組成的系統，并模擬了由10萬個粒子機器人組成的系統。每個組件在振蕩時，直徑為15.5-23.5厘米不等。作者證實該系統可以實現魯棒性運動和物體搬運，以及向光移動和避障（圖1）。尤其值得一提的是，作者發現即使20%的組件失效，運動仍能持續，這說明該粒子機器人具有對抗個體組件失效的魯棒性。

圖1 | 創新性集群機器人系統。a-c，李曙光等人報告了一種由許多松耦合、隨機運動的厘米級組件構成的機器人系統。每個組件只能在其半徑范圍內振蕩，做伸展和收縮運動。組件的顏色代表其振蕩時的直徑大小——綠色表示直徑最小，藍色表示直徑最大。褐紅色為失效組件，專門用來測試系統的魯棒性。作者表明該系統可以逐漸朝著環境信號來源（如光源）做確定性運動，同時具有避障能力。（改編自Li， S。 et al。 Nature 567， 361–365 （2019）的Fig。 1f。）

　　在此之前的研究主要關注的是能獨立運動、獨立操縱的組件，這些組件多基于相對復雜的確定性設計。此前報道的大部分機器人集群系統在可允許的配置范圍內，靈活度有限，而那些無定形系統的特定組件則存在可擴展性不足的問題。此外，這些系統中有很多都需要一定程度的集中控制，這進一步限制了它們的能力和可擴展性。

　　從這方面來說，李曙光等人的粒子機器人方法提供了一種全新選擇。除了受到了生物系統的啟發，這一技術還借鑒了統計物理學現象，即大量隨機組件的整體統計行為可以在無需追蹤個體組件的情況下進行建模和操控。因此，相對其他方法來說，這一方法優勢顯著，尤其是其擴展組件數量和減小單元大小的能力。機器人集群系統需要具備這種擴展能力，才有可能應用在能源開采、工程建設和醫學領域。

粒子機器人由許多松散耦合的單個“粒子”組成。

　　Li et al。

　　當然，作者的系統也存在一些弊端。首先，如果整個集群系統的所在位置沒有環境信號梯度，系統將無法朝信號源移動。其二，這些組件一開始需要人為配置位置，因為它們無法通過獨立運動彼此交互。其三，試驗所展示的組件數量有限，速度相對較慢，體積較大；在不遠的將來，這個系統應向數量更多、速度更快、體積更小的方向發展（爭取縮小至微米級）。其四，這一技術不適用于定向自組裝和自組織成復雜、預設的幾何形狀，這是由于整個集群具有隨機性，組件的放置和耦合也具有不確定性。

　　隨著小規模機器人的不斷發展，如今有望設計并制造出大量隨機性或確定性組件，使其展現出類似粒子機器人系統的集體和集群行為。過去幾年來，通過設計個體單元之間的磁性交互，研究人員已經制造出擁有明確集體行為的移動微尺度機器人集群。對此類機器人集群的主要操控策略一般依賴于單元對遠程操控全局場的反應，如磁場。

　　雖然這會讓研究人員難以單獨局部地處理每個單元，但卻能對單元間的集體耦合交互行為進行全局控制，從而實現可編程的局部交互、自組裝和集體行為。這種方法已被用來在空氣-水界面實現對合成微型機器人集群的集體二維組裝、分解和操控。

　　李曙光等人的粒子機器人系統，以及大部分其他機器人集群系統主要是二維運動。如果能將它們拓展至三維，提高組件運動行為的復雜度，并讓它們能在表面或液體內聚集，就有望提高它們的應用潛力。不過，向三維拓展意味著將要面臨許多硬件設計挑戰，包括如何實現魯棒性運動、聚集穩定性、可逆和可編程組件附著方式、小型化和操控。

　　在不久的將來，很重要的一點是去證實這類機器人集群系統具有其它方法無法實現的重要工程和醫療應用價值。例如，細菌驅動的隨機微型游泳機器人也許能夠利用這種粒子機器人的方法把藥物遞送至人體內原本難以達到的目標區域。這類機器人集群或許能根據化學梯度、氧梯度或癌組織環境的pH變化實現定向運動。許多研究已經表明，細菌驅動的微型機器人集群具有靶向藥物遞送、醫療診斷和環境感知的應用潛力。

來源：Nature自然科研