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仿生“粒子”機器人誕生,有望帶來一場機器人革命

最近,哥倫比亞大學和麻省理工(MIT)計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員合作,製造出一種前所未有的仿生物細胞群體機器人。這種新型機器人由許多松散耦合的簡單組件(即“粒子”)組成,每個粒子不能獨立運動,只能輕微伸展或收縮,但組合在一起就可以實現自主運動。該機器人不受限於單個粒子的故障,未來還有可能實現自主變形。研究結果於3月20發表在《自然》雜誌。

現有機器人與人類存在關鍵的系統差異

機器人翻譯自英文“robot”,是指可以自動執行工作的機器裝置。這個定義更強調的是機器人的功能性而非外型。廣義的機器人包括工業機器人(如機械臂等)和特種機器人(除工業機器人之外的、用於非製造業並服務於人類的各種機器人總稱)。

模仿生物外型、神態和動作,從事生物特點工作的機器人統稱為仿生機器人。仿生機器人往往是最受專注的一類機器人,事實上,聰明的人類早已經可以製造各種可走、可跑、可爬的仿生機器人。

然而,即便是像波士頓機器人Atlas那樣能夠完成跑、跳、開門、後空翻等各種動作,甚至即便它最終擁有了高水準的人工智能,也與人存在著巨大的系統差異:人類是一個生物系統,而機器人是一個機械系統。

不妨思考一下。人體的基本組成單元是細胞,一個成年人約有40兆~60兆個細胞,這些細胞無法獨自移動,本身功能也非常簡單。但這些細胞集合起來,加上有神經系統的“指揮”,有消化系統來生產營養和能量,有血液系統給細胞輸送營養和能量,有免疫系統幫助消滅入侵的“敵人”,一個強大的生物系統就誕生了。這個系統可以協調實現走、跑、跳甚至自主思考等各種功能,還能夠進行自我調節和自我修複。

如果少量細胞死掉了,不僅不會影響到系統的整體運行,甚至還會產生新的細胞進行修複。例如,人骨折之後,通過固定兩段骨頭,最終會骨頭之間的裂縫會慢慢愈合,最終痊愈。而機械系統某個部件的斷裂則是永久的,往往需要依靠外界力量(通常是人)來更換部件才能夠保證系統的正常運行。

仿生物細胞群體機器人誕生:不受製於部件

一個多世紀以來,人們一直試圖製造出有自主意識的機器人,但這些機器不能像生物那樣生長、愈合傷口或從傷害中恢復。科學家們一直致力於開發出真正意義上的仿生機器人,不僅要看起來像一個生物,而且要把它構建成生物系統,用簡單的基礎部件創造出具有複雜功能的機器人。這類機器人將不受製於部件,即便有部分部件失靈,也能正常工作。

想要構造生物系統,首先要製造細胞單元。2019年3月20日,來自哥倫比亞大學和麻省理工學院(MIT)計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員在《自然》雜誌上合作發表文章稱,他們造出一類前所未有的仿生物細胞群體機器人,成功地邁出了第一步。

這種新型機器人由許多松散耦合的簡單組件(即“粒子”)組成,每個粒子不能獨立運動,只能輕微伸展或收縮,但組合在一起,就可以實現機器人的自主運動。來自中國的學者、哈佛大學與麻省理工學院的博士後李曙光,是該研究的共同作者之一。

“我們的機器人沒有採用集中控制方式,也不存在單點故障的問題。”本文通訊作者Lipson說,“它目前還比較初級,但我們知道這類機器人是可以存在的,甚至有可能解釋細胞的運動。”

在試驗中,研究人員賦予了這些粒子光敏感性。靠近光源的粒子處於更為明亮的光照下,因此會較早開始伸縮。各個粒子的伸縮相互協調,使得機器人內部產生一種波,這種波使它整體向光移動。因此,即使單個粒子不能獨立運動,在波的推動下機器人也能進行整體移動。

研究團隊又與哈佛大學威斯研究所和康奈爾大學合作,建立數學模型對這種機器人的運動進行了模擬。他們模擬了用成百上千的粒子進行大規模障礙規避、物體運輸的情景,同時還展示了粒子機器人模型應對部件故障的能力。結果表明,即使20%的粒子停止工作,粒子機器人仍能以完整狀態下75%的速度運行。

目前的粒子機器人尺寸還比較大,單個粒子直徑達到15厘米,與細胞還有很大的差距。研究小組已經開始使用更多厘米級的粒子測試機器人系統,此外他們還在探索其他形式的粒子機器人,例如用對聲音、光線或化學梯度做出反應的微珠來製造單個粒子。

思想有多遠,機器人就能走多遠

2010年印度上映了一部科幻電影《寶萊塢機器人之戀》,講述一位天才科學家設計的智能機器人“七弟”被利用而變成了殺人機器的故事。片尾幾場大規模鏖戰的動作戲激爆眼球,其創意跟仿生物細胞群體機器人不謀而合。

電影中“七弟”產生了自我意識,並獲得了自我複製的能力,於是他整合幾十個分身升級為“變形金剛”,時而幻化成巨蟒吞噬直升機,時而組成巨人在高速公路與汽車火爆追逐。

電影中的每一個“七弟”相當於該項研究中的單個粒子,這種粒子自由組合成不同形態機器人的可能,也是該項研究未來將會關注的一個重點方向。該研究的共同領導者、CSAIL主任Daniela Rus說,“在開發粒子機器人的過程中,我們面臨的問題是:能否用不同的方式來排列這些粒子‘細胞’,從而根據不同的場景製造出不同的機器人?我們甚至可以賦予這些粒子機器人自主排列組合而改變形態的能力。例如,假如機器人需要從桌子上取一把螺絲刀,而距離太遠拿不到,這時如果機器人可以重新排布粒子、讓手臂變長,那麽問題就可以得到解決。”

很顯然,生物系統的細胞不會變換位置,無法實現自主排列組合而改變形態的能力,這是粒子機器人仿自生物系統又超越生物系統的地方。這些機器人受程序控制,利用其靈活的變換能力,原則上能夠變成任何系統、實現任何功能,為人類生產生活帶來便利。

人類的思想有多遠,仿生機器人就能夠走多遠。我們很期待,仿生物細胞群體機器人將給人類帶來的這場機器人革命。

作者 | 鞠思婷 國家納米科學中心博士

審稿 | 林強 上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室博士

責編 | 高佩雯

文章由騰訊科普“科普中國頭條創作與推送項目”團隊推出

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