中國學者研發仿生群體機器人登Nature封面

2019年3月20日，Nature封 面 發布了一項重大工程學突破——仿生物細胞群體機器人問世。這個“粒子機器人”具有超強的魯棒性和更高的可擴展性，實現了光向導運動和躲避障礙物，論文第一作者為目前正在哈佛大學從事博士后研究的李曙光（Particle robotics based on statistical mechanics of loosely coupled components, Nature, 2019, 567：361-365）。

在生物系統中，大規模的行為可以通過隨機移動的小規模組件的集體耦合和協調來實現。例如，在傷口愈合和癌癥擴散的過程中，活細胞聚集并集體遷移，研究人員正是受到這些生物機制的啟發，研發了一個集體機器人系統，其中確定性運動是許多松耦合的圓盤形部件隨機運動的結果。結果表明，隨機性為開發具有魯棒確定性行為的大規模集體機器人系統提供了一種有希望的方法。

在研究中，圓盤形部件不能彼此獨立運動，也不能單獨操作。此外，每個部件只能通過沿其半徑振蕩、伸展和收縮來移動，作者將這種極簡主義的方法稱為“粒子機器人”。在沒有外部刺激的情況下，系統只能隨機移動。然而，當組件被編程來調整它們的直徑以響應不同的環境信號時，就會集體向信號源移動。

研究人員進行的粒子機器人實驗系統最多有24個組件，并進行了10萬個組件的仿真。在振蕩過程中，每個元件的直徑從15.5cm～23.5cm不等。作者表明，該系統可以實現魯棒運動和物體移動，以及光定向運動和避障。值得注意的是，他們發現，即使20%的組件發生故障，也可以保持運動，這突出了粒子機器人方法對單個組件故障的魯棒性。

以前的研究主要考慮的是那些可以相互獨立運動、可以單獨操作，并且基于相對復雜的確定性設計2-5的組件。以前報道的大多數集體機器人系統在允許的配置方面具有有限的靈活性，而那些非晶態系統通常包含的組件具有有限的可伸縮性。此外，其中許多系統需要某種程度的集中控制，這進一步限制了它們的功能和可伸縮性。

在這方面，粒子機器人方法提供了一個有希望的替代方法。除了受到生物系統的啟發，該技術還受到統計物理現象的推動，在這種現象中，可以對大量隨機成分的全球統計行為進行建模和控制，而不需要跟蹤每個成分。因此，與其他方法相比，該方法具有明顯的優勢，特別是當擴展組件數量和縮小每個組件的大小時，這種擴展將是集體機器人系統在勘探，建筑和醫學中的許多未來潛在應用所必需的。德國馬克斯·普朗克智能系統研究所科學家評價認為：“這種全新機器人具有傳統機器人系統所沒有的可擴展控制和魯棒性——這是一種抗干擾能力參數，也是在異常和危險情況下系統生存的關鍵?！睂恚羰窃摿Ｗ訖C器人系統的大小能夠達到微米級別，那么將在醫療等眾多領域帶來深遠的影響和重大的突破。例如可以使用粒子機器人方法將藥物輸送到人體內難以到達的區域。