讓機器人集羣變身模仿生物的智能材料

研究人員已經設計出若干組機器人，它們的行爲就像具有可調節形狀和強度的智能材料一樣，可模仿生物系統。“我們已經找到一種讓機器人表現得更像一種材料的方法，”馬修·德夫林（Matthew Devlin）說，他曾是埃利奧特·霍克斯（Elliot Hawkes）教授（加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）機械工程教授）實驗室的博士研究員，也是發表在《科學》（Science）雜誌上這篇< a href="#">文章的主要作者。

這種集羣由單個圓盤狀的自主機器人組成，它們看起來像小冰球，集羣中的成員被編程爲能夠自行組裝成具有不同材料強度的各種形態。

該研究團隊特別感興趣的一個挑戰是製造一種既堅硬又結實，但在需要新形態時又能流動的機器人材料。“機器人材料應該能夠形成一種形狀並保持住，”霍克斯解釋說，“但也能夠有選擇性地變成一種新形狀。”然而，當機器人在一個羣體中彼此緊密連接時，就無法以一種能夠隨意流動和改變形狀的方式重新配置這個羣體。直到現在。

爲了獲取靈感，研究人員借鑑了奧格·坎帕斯（Otger Campàs）之前關於< a href="#">胚胎是如何被物理塑形的研究成果，坎帕斯曾是加州大學聖巴巴拉分校的教授，目前是德累斯頓工業大學生命物理卓越集羣（PoL）的主任。

“活的胚胎組織是終極智能材料，”他說。“它們有自我塑形、自我修復的能力，甚至能在空間和時間上控制自身的材料強度。”

在加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）時，他的實驗室發現胚胎能像玻璃一樣融化以塑造自身形狀。“爲了塑造胚胎，組織中的細胞能在液態與固態之間轉換；這是一種在物理學中被稱爲剛性轉換的現象，”他補充道。

在胚胎髮育過程中，細胞具有在彼此周圍進行自我排列的非凡能力，能將生物體從一團未分化的細胞轉變爲各種離散的形態（如手和腳）的集合體，並且具有不同的質地，如骨骼和大腦。

研究人員專注於實現這些剛性轉變背後的三個生物過程：細胞施加於彼此的主動力，這種力使細胞能夠四處移動；使這些細胞能夠在空間和時間上協調其運動的生化信號；以及細胞相互黏附的能力，這種能力最終賦予生物體最終形態以剛度。

在機器人領域，細胞間黏附的等效功能是通過磁鐵實現的，這些磁鐵被安裝在機器人單元的周邊。這些磁鐵使機器人能夠相互連接，使整個羣體表現得像一種剛性材料。細胞間的其他作用力被編碼爲機器人單元間的切向力，這是通過每個機器人圓形外殼上的八個電動齒輪實現的。

通過調節機器人之間的這些作用力，研究團隊能夠在原本完全鎖定且剛性的集羣中實現重新配置，使其能夠重塑形狀。動態單元間作用力的引入克服了將剛性機器人集羣轉變爲可塑機器人材料的挑戰，這與活體胚胎組織類似。

與此同時，生物化學信號傳導類似於一個全局座標系。“每個細胞‘知道’自己的頭部和尾部，這樣它就知道該向哪個方向擠壓和施加力量，”霍克斯解釋道。通過這種方式，細胞羣設法改變組織的形狀，例如當它們彼此排列並使身體伸長時。在機器人中，這一壯舉是通過每個機器人頂部帶有偏振濾光片的光傳感器來實現的。

當光線照射到這些傳感器上時，光的偏振方向會告訴它們朝哪個方向轉動齒輪，從而知道如何改變形 狀。“你可以在恆定的光場下一次性告訴它們你希望它們前往的方向，它們就可以全部排列起來並做任何需要做的事情，”德夫林補充道。

考慮到所有這些因素，研究人員能夠調整和控制這羣機器人，使其像智能材料一樣行動：這羣機器人中的部分會開啓機器人之間的動態力並使羣體流化，而在其他部分，機器人只會相互抓住以製造一種剛性材料。隨着時間的推移在這羣機器人中調節這些行爲，使研究人員能夠製造出既能承受重載又能重塑形狀、操縱物體甚至自我修復的機器人材料。

目前，這個概念驗證機器人小組由一小批相對較大的單元（20個）組成。然而，坎帕斯（Campàs）實驗室的前博士後研究員金相佑（Sangwoo Kim）（他現在是洛桑聯邦理工學院（EPFL）的助理教授）所進行的模擬表明，該系統可以擴展到更多的微型單元。這可能會促使由數千個單元組成的機器人材料的開發，這些材料能夠呈現出無數種形狀，並隨意調整其物理特性，從而改變我們如今對物體的概念。

除了機器人技術之外的應用，例如物理學中活性物質的研究或生物學中的羣體行爲研究，將這些機器人集羣與控制它們的機器學習策略相結合，可能會在機器人材料方面產生非凡的能力，將科幻夢想變爲現實。