發(fā)布日期：2019-03-29
李曙光等人開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)表明，單個(gè)組件的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生確定性行為，這個(gè)過(guò)程與生命系統(tǒng)類(lèi)似，具有環(huán)境和醫(yī)療方面的應(yīng)用潛力。
在生物學(xué)系統(tǒng)中，大規(guī)模行為可以通過(guò)小規(guī)模組件隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的集體耦合和協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。比方說(shuō)，活細(xì)胞在傷口愈合和癌細(xì)胞擴(kuò)散的過(guò)程中，會(huì)聚集起來(lái)集體遷移。
正是受到了這些生物學(xué)機(jī)制的啟發(fā)，MIT和哥倫比亞大學(xué)的李曙光等人在《自然》近日發(fā)表的一篇論文中，報(bào)告了一種機(jī)器人集群系統(tǒng)：通過(guò)將許多可以隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的盤(pán)狀組件松散耦合在一起，就能產(chǎn)生確定性運(yùn)動(dòng)。研究結(jié)果表明，隨機(jī)性有望成為開(kāi)發(fā)具有魯棒確定性行為的大規(guī)模機(jī)器人集群的突破口。
封面圖片：Felice Frankel在李曙光等人開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中，這些盤(pán)狀組件無(wú)法離開(kāi)彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)操控。此外，每個(gè)組件只能在其半徑范圍內(nèi)振蕩——伸展和收縮，由此實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。作者將這一極簡(jiǎn)化設(shè)置稱(chēng)為“粒子機(jī)器人”。在沒(méi)有外部刺激源的情況下，系統(tǒng)只能做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。但是，通過(guò)對(duì)這些組件進(jìn)行編程，調(diào)整它們對(duì)環(huán)境中某個(gè)變化信號(hào)的響應(yīng)直徑，它們就會(huì)朝著信號(hào)方向做集體運(yùn)動(dòng)。
李曙光等人測(cè)試了由24個(gè)粒子機(jī)器人組成的系統(tǒng)，并模擬了由10萬(wàn)個(gè)粒子機(jī)器人組成的系統(tǒng)。每個(gè)組件在振蕩時(shí)，直徑為15.5-23.5厘米不等。作者證實(shí)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)魯棒性運(yùn)動(dòng)和物體搬運(yùn)，以及向光移動(dòng)和避障（圖1）。尤其值得一提的是，作者發(fā)現(xiàn)即使20%的組件失效，運(yùn)動(dòng)仍能持續(xù)，這說(shuō)明該粒子機(jī)器人具有對(duì)抗個(gè)體組件失效的魯棒性。
圖1 | 創(chuàng)新性集群機(jī)器人系統(tǒng)。a-c，李曙光等人報(bào)告了一種由許多松耦合、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的厘米級(jí)組件構(gòu)成的機(jī)器人系統(tǒng)。每個(gè)組件只能在其半徑范圍內(nèi)振蕩，做伸展和收縮運(yùn)動(dòng)。組件的顏色代表其振蕩時(shí)的直徑大小——綠色表示直徑最小，藍(lán)色表示直徑最大。褐紅色為失效組件，專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的魯棒性。作者表明該系統(tǒng)可以逐漸朝著環(huán)境信號(hào)來(lái)源（如光源）做確定性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有避障能力。（改編自L(fǎng)i， S。 et al。 Nature 567， 361–365 （2019）的Fig。 1f。）在此之前的研究主要關(guān)注的是能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、獨(dú)立操縱的組件，這些組件多基于相對(duì)復(fù)雜的確定性設(shè)計(jì)。此前報(bào)道的大部分機(jī)器人集群系統(tǒng)在可允許的配置范圍內(nèi)，靈活度有限，而那些無(wú)定形系統(tǒng)的特定組件則存在可擴(kuò)展性不足的問(wèn)題。此外，這些系統(tǒng)中有很多都需要一定程度的集中控制，這進(jìn)一步限制了它們的能力和可擴(kuò)展性。
從這方面來(lái)說(shuō)，李曙光等人的粒子機(jī)器人方法提供了一種全新選擇。除了受到了生物系統(tǒng)的啟發(fā)，這一技術(shù)還借鑒了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)現(xiàn)象，即大量隨機(jī)組件的整體統(tǒng)計(jì)行為可以在無(wú)需追蹤個(gè)體組件的情況下進(jìn)行建模和操控。因此，相對(duì)其他方法來(lái)說(shuō)，這一方法優(yōu)勢(shì)顯著，尤其是其擴(kuò)展組件數(shù)量和減小單元大小的能力。機(jī)器人集群系統(tǒng)需要具備這種擴(kuò)展能力，才有可能應(yīng)用在能源開(kāi)采、工程建設(shè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
粒子機(jī)器人由許多松散耦合的單個(gè)“粒子”組成。Li et al。
當(dāng)然，作者的系統(tǒng)也存在一些弊端。首先，如果整個(gè)集群系統(tǒng)的所在位置沒(méi)有環(huán)境信號(hào)梯度，系統(tǒng)將無(wú)法朝信號(hào)源移動(dòng)。其二，這些組件一開(kāi)始需要人為配置位置，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法通過(guò)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)彼此交互。其三，試驗(yàn)所展示的組件數(shù)量有限，速度相對(duì)較慢，體積較大；在不遠(yuǎn)的將來(lái)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)向數(shù)量更多、速度更快、體積更小的方向發(fā)展（爭(zhēng)取縮小至微米級(jí)）。其四，這一技術(shù)不適用于定向自組裝和自組織成復(fù)雜、預(yù)設(shè)的幾何形狀，這是由于整個(gè)集群具有隨機(jī)性，組件的放置和耦合也具有不確定性。
隨著小規(guī)模機(jī)器人的不斷發(fā)展，如今有望設(shè)計(jì)并制造出大量隨機(jī)性或確定性組件，使其展現(xiàn)出類(lèi)似粒子機(jī)器人系統(tǒng)的集體和集群行為。過(guò)去幾年來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)個(gè)體單元之間的磁性交互，研究人員已經(jīng)制造出擁有明確集體行為的移動(dòng)微尺度機(jī)器人集群。對(duì)此類(lèi)機(jī)器人集群的主要操控策略一般依賴(lài)于單元對(duì)遠(yuǎn)程操控全局場(chǎng)的反應(yīng)，如磁場(chǎng)。
雖然這會(huì)讓研究人員難以單獨(dú)局部地處理每個(gè)單元，但卻能對(duì)單元間的集體耦合交互行為進(jìn)行全局控制，從而實(shí)現(xiàn)可編程的局部交互、自組裝和集體行為。這種方法已被用來(lái)在空氣-水界面實(shí)現(xiàn)對(duì)合成微型機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)，以及大部分其他機(jī)器人集群系統(tǒng)主要是二維運(yùn)動(dòng)。如果能將它們拓展至三維，提高組件運(yùn)動(dòng)行為的復(fù)雜度，并讓它們能在表面或液體內(nèi)聚集，就有望提高它們的應(yīng)用潛力。不過(guò)，向三維拓展意味著將要面臨許多硬件設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括如何實(shí)現(xiàn)魯棒性運(yùn)動(dòng)、聚集穩(wěn)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(lái)，很重要的一點(diǎn)是去證實(shí)這類(lèi)機(jī)器人集群系統(tǒng)具有其它方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的重要工程和醫(yī)療應(yīng)用價(jià)值。例如，細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的隨機(jī)微型游泳機(jī)器人也許能夠利用這種粒子機(jī)器人的方法把藥物遞送至人體內(nèi)原本難以達(dá)到的目標(biāo)區(qū)域。這類(lèi)機(jī)器人集群或許能根據(jù)化學(xué)梯度、氧梯度或癌組織環(huán)境的pH變化實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng)。許多研究已經(jīng)表明，細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人集群具有靶向藥物遞送、醫(yī)療診斷和環(huán)境感知的應(yīng)用潛力。
來(lái)源：Nature自然科研
