發(fā)布日期：2019-03-29
李曙光等人開發(fā)的機器人系統(tǒng)表明，單個組件的隨機運動可以產(chǎn)生確定性行為，這個過程與生命系統(tǒng)類似，具有環(huán)境和醫(yī)療方面的應用潛力。
在生物學系統(tǒng)中，大規(guī)模行為可以通過小規(guī)模組件隨機運動的集體耦合和協(xié)調(diào)來實現(xiàn)。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(fā)，MIT和哥倫比亞大學的李曙光等人在《自然》近日發(fā)表的一篇論文中，報告了一種機器人集群系統(tǒng)：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(chǎn)生確定性運動。研究結(jié)果表明，隨機性有望成為開發(fā)具有魯棒確定性行為的大規(guī)模機器人集群的突破口。
封面圖片：Felice Frankel在李曙光等人開發(fā)的系統(tǒng)中，這些盤狀組件無法離開彼此獨立運動，也無法實現(xiàn)單獨操控。此外，每個組件只能在其半徑范圍內(nèi)振蕩——伸展和收縮，由此實現(xiàn)運動。作者將這一極簡化設(shè)置稱為“粒子機器人”。在沒有外部刺激源的情況下，系統(tǒng)只能做隨機運動。但是，通過對這些組件進行編程，調(diào)整它們對環(huán)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(tǒng)，并模擬了由10萬個粒子機器人組成的系統(tǒng)。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(tǒng)可以實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)即使20%的組件失效，運動仍能持續(xù)，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(chuàng)新性集群機器人系統(tǒng)。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(gòu)成的機器人系統(tǒng)。每個組件只能在其半徑范圍內(nèi)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(tǒng)的魯棒性。作者表明該系統(tǒng)可以逐漸朝著環(huán)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(guān)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(shè)計。此前報道的大部分機器人集群系統(tǒng)在可允許的配置范圍內(nèi)，靈活度有限，而那些無定形系統(tǒng)的特定組件則存在可擴展性不足的問題。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(tǒng)的啟發(fā)，這一技術(shù)還借鑒了統(tǒng)計物理學現(xiàn)象，即大量隨機組件的整體統(tǒng)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(yōu)勢顯著，尤其是其擴展組件數(shù)量和減小單元大小的能力。機器人集群系統(tǒng)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(shè)和醫(yī)學領(lǐng)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(tǒng)也存在一些弊端。首先，如果整個集群系統(tǒng)的所在位置沒有環(huán)境信號梯度，系統(tǒng)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(shù)量有限，速度相對較慢，體積較大；在不遠的將來，這個系統(tǒng)應向數(shù)量更多、速度更快、體積更小的方向發(fā)展（爭取縮小至微米級）。其四，這一技術(shù)不適用于定向自組裝和自組織成復雜、預設(shè)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(guī)模機器人的不斷發(fā)展，如今有望設(shè)計并制造出大量隨機性或確定性組件，使其展現(xiàn)出類似粒子機器人系統(tǒng)的集體和集群行為。過去幾年來，通過設(shè)計個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(xiàn)可編程的局部交互、自組裝和集體行為。這種方法已被用來在空氣-水界面實現(xiàn)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(tǒng)，以及大部分其他機器人集群系統(tǒng)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(nèi)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(shè)計挑戰(zhàn)，包括如何實現(xiàn)魯棒性運動、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，很重要的一點是去證實這類機器人集群系統(tǒng)具有其它方法無法實現(xiàn)的重要工程和醫(yī)療應用價值。例如，細菌驅(qū)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(nèi)原本難以達到的目標區(qū)域。這類機器人集群或許能根據(jù)化學梯度、氧梯度或癌組織環(huán)境的pH變化實現(xiàn)定向運動。許多研究已經(jīng)表明，細菌驅(qū)動的微型機器人集群具有靶向藥物遞送、醫(yī)療診斷和環(huán)境感知的應用潛力。
來源：Nature自然科研
