MIT 和哥倫比亞大學(xué)的研究人員利用生物細(xì)胞線索，開發(fā)了一款簡單計算化的機(jī)器人，這些粒子機(jī)器人可以大批量組裝在一起，移動物體，完成其他任務(wù)。

所謂的“粒子機(jī)器人”系統(tǒng)是基于麻省理工學(xué)院、哥倫比亞工程學(xué)院、康奈爾大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員的一個項目。它由許多單獨的圓盤形單位組成，圓盤形粒子松散地通過磁力連接在一起。每個粒子只能做兩件事：擴(kuò)張和收縮。但是這種運動允許單個粒子以協(xié)調(diào)運動的方式相互推拉，傳感器允許成簇的粒子被光源吸引。

本周《Nature》雜志的一篇論文展示了由20多個粒子機(jī)器人組成的集群，以及多達(dá)10萬個粒子穿過障礙物向燈泡移動的虛擬模擬，粒子機(jī)器人可以傳送放置在中間的物體。

粒子機(jī)器人可以組合成許多形態(tài)，在障礙物周圍流動，擠過狹小的縫隙。值得注意的是，沒有一個粒子直接與另一個粒子通訊或依賴于另一個粒子發(fā)揮作用。因此可以任意添加或刪減，而不會對組裝整體產(chǎn)生影響。在論文中，研究人員展示了即使許多單位發(fā)生故障，粒子機(jī)器系統(tǒng)也可以完成任務(wù)。

“小機(jī)器人就像一個個細(xì)胞，它們雖然不像個體那么有力，但是作為一個群體就能完成很多工作，”計算機(jī)科學(xué)和人工智能實驗室（CSAIL）主任Daniela Rus教授說?！皺C(jī)器人本身是靜止的，當(dāng)它們與其他粒子機(jī)器人連接時，突然間，機(jī)器人集群可以探索世界，控制更復(fù)雜的動作，有了這些‘通用的細(xì)胞’，機(jī)器人粒子可以實現(xiàn)不同形狀、整體轉(zhuǎn)換、整體運動、整體行為，正如我們在實驗室中所展示的那樣，跟蹤光線梯度。這是非常強(qiáng)大的?！?/p>

文章作者還包括：第一作者CSAIL博后學(xué)者Shuguang Li，哥倫比亞大學(xué)工學(xué)院的Hod Lipson和Richa Batra，康奈爾大學(xué)的David Brown、Hyun-Dong Chang和Nikhil Ranganathan，以及哈佛大學(xué)的Chuck Hoberman。

在MIT，Rus研究模塊化連接機(jī)器人已經(jīng)將近20年了，他曾研制出可連接到其他機(jī)器人上伸縮的立方體機(jī)器人，但是方形結(jié)構(gòu)限制了機(jī)器人的群體運動和構(gòu)型。

與Lipson實驗室合作后，當(dāng)時（2014年）Shuguang Li博士還是MIT的一名研究生，研究人員測試了能夠相互旋轉(zhuǎn)的圓盤形結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們不僅可以相互連接和斷開，還能組成許多構(gòu)型。

粒子機(jī)器人的每個單位都有一個圓柱形底座，里面裝有一顆電池、一個小電機(jī)、檢測光強(qiáng)度的傳感器、一個微控制器以及一個發(fā)送和接受信號的通訊組件。頂上面，安裝著一個兒童玩具，名叫霍伯曼（Hoberman）飛行環(huán)，它的發(fā)明者也是本文的合作者之一。這個玩具由一個圓形連接的小面板組成，每個面板上安裝兩個小磁鐵，兩個小面板可以被拉動擴(kuò)大或推回收縮。

關(guān)鍵訣竅是對機(jī)器人粒子進(jìn)行編程，使其按照精確的順序展開和收縮，從而將整體推向一個目標(biāo)光源。

為了做到這一點，研究人員為每個粒子配置了一個算法，該算法可以分析來自其他粒子的光強(qiáng)度廣播信息，無需直接進(jìn)行粒子間通訊。

粒子越靠近光源，廣播強(qiáng)度越大，每個粒子不斷地廣播一個信號，它與所有其他粒子共享其感知的強(qiáng)度級別。假設(shè)一個粒子機(jī)器人系統(tǒng)測量1到10級光強(qiáng)度：最接近光源的粒子記錄10級，最遠(yuǎn)的粒子記錄1級。強(qiáng)度級別依次對應(yīng)粒子必須展開的特定時間。強(qiáng)度最高的粒子（10級）率先擴(kuò)張，接下來是9級……隨后每一級都發(fā)生這種定時的擴(kuò)張和收縮運動。

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“這就產(chǎn)生了一種機(jī)械力，協(xié)調(diào)的推拉運動將一個大集群推向或離開環(huán)境刺激，”Li博士補(bǔ)充道。“關(guān)鍵的組成部分是粒子間共享的同步時鐘精確計時，這使得運動盡可能地高效，如果你把同步時鐘搞亂了，系統(tǒng)效率就會降低。”

在文章上傳的視頻中，研究人員展示了由真實粒子組成的粒子機(jī)器人系統(tǒng)，這些粒子在不同的燈泡被點亮后移動和改變方向。另外，一個多達(dá)10000個粒子組成的模擬集群，即使在20%粒子都無法工作的情況下，也能維持50%的運動速度。

2004年，納米技術(shù)先驅(qū)K. Eric Drexler在其撰寫的《Engines of Creation》一書中創(chuàng)造了“Grey Goo”，由數(shù)十億納米顆粒組成的機(jī)器人“Grey Goo”一直吸引著科幻小說迷。但大多數(shù)研究人員認(rèn)為這只是一個瘋狂的理論。

“這個設(shè)計有點像‘Grey Goo’，關(guān)鍵新奇之處在于，你所擁有的新機(jī)器人沒有集中控制概念，沒有單點故障，沒有固定形狀，它的組件也沒有獨特的標(biāo)識，”哥倫比亞工程學(xué)院的機(jī)械工程教授Lipson說。

下一步，將是使這些部件微型化，制造一個由數(shù)百萬微觀粒子組成的機(jī)器人。

來源：生物通

原文檢索：Shuguang Li, Richa Batra, David Brown, Hyun-Dong Chang, Nikhil Ranganathan, Chuck Hoberman, Daniela Rus & Hod Lipson. Particle robotics based on statistical mechanics of loosely coupled components. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-1022-9