曾浩博士

張航博士

縱觀自然界的各種生物體，不論是形貌結構、還是物理化學特性，都完美地適應著大自然的各種變化與挑戰(zhàn)。正如DNA的發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾生理及醫(yī)學獎得主弗朗西斯·克里克說過的，“生物是進化而來的，而不是被設計的?！蹦敲磳⑵鋷氲娇蒲蓄I域，又能給研究人員帶來怎樣的啟發(fā)？

來自芬蘭阿爾托大學和坦佩雷大學的研究人員受到啟發(fā)，開始重新審視擁有不同功能性的仿生材料，并產生了一個大膽的想法：人工材料能否通過某種方式，比如自我學習，產生適應環(huán)境的自我進化？

研究人員因此投入到對材料“自我學習”的研究，并開發(fā)出一種特殊的“液晶網(wǎng)絡執(zhí)行器”，這讓他們可以“訓練”塑料片在光線的控制下行走。該方法的研究論文發(fā)表在了最新一期的Matter雜志上，這是他們合成的執(zhí)行器第一次根據(jù)其過去的經(jīng)驗來“學習”新的技巧，而并不需要計算機編程。這些由熱響應液晶聚合物網(wǎng)絡和染料涂層制成的塑料，被稱為“軟致動器”，它可以將能量轉換為機械運動。在研究最初階段，執(zhí)行器只能響應熱量，但通過將光與熱量相結合，它又學會了響應光。其響應方式很像人類卷曲食指的動作，當致動器被照射時，通過自身彎曲進行周期性的蠕動。它的“行走”速度是1毫米/秒，跟蝸牛的步伐差不多。

該論文的并列第一作者曾浩博士和張航博士都來自中國，目前在芬蘭進行博士后研究工作。論文的另外兩位作者，分別是阿爾托大學的教授奧利·艾卡拉和坦佩雷大學的教授阿瑞·普里姆·吉。

靈感源于巴浦洛夫的狗

此前，常規(guī)的記憶材料或者具有響應性質的智能材料，它們的性能都是人為設計的。換句話說，其記憶形狀、形變與否，是源于分子層面或結構力學角度的設計，其目的也是為了更好地實現(xiàn)人為控制。

但這種能夠“自我學習”的材料是如何煉成的？曾浩說：“我們這項實驗的設計靈感，來自于巴浦洛夫的狗的條件反射實驗?！卑推章宸虻臈l件反射實驗是這樣的：狗在食物面前會流口水，但在一開始聽到鈴聲，不會有所反應。然而，當反復地讓食物與鈴聲一同出現(xiàn)，狗會在腦海中將食物和鈴聲關聯(lián)在一起。之后，只要聽到鈴聲，即便沒有看到食物，狗也會流口水?！叭绻麑⒅悄懿牧系母鞣N響應（如形狀改變）類比于狗的流口水，而各種外界刺激（如光、熱），看成是對狗體現(xiàn)的食物和鈴聲。那一種材料能夠實現(xiàn)自我學習，就意味著它對原本中性的刺激產生了條件反射。”曾浩說道。

正在“行走”的塑料片（視頻截圖）

液晶聚合物網(wǎng)絡制成的人造巴甫洛夫狗

在他們設計的液晶網(wǎng)絡執(zhí)行器中，材料的“學習過程”是基于染料的擴散而實現(xiàn)的：材料在加熱情況下會發(fā)生形變，在光照下則不為所動。但當加熱與光照并存時，附于薄膜一側的染料顆粒會快速擴散進液晶網(wǎng)絡（體材料）的內部，從而大大增強材料對光的吸收能力以及光熱效應。而單純的加熱或者光照都不會讓染料有明顯的擴散。于是，經(jīng)過這種“訓練”之后，材料便獲得了對光的響應性——也就是習得了“條件反射。”

坦佩雷大學的教授表示：“我們的研究本質上是在問一個無生命的材料是否能以一種非常簡單的方式學習的問題。我的同事，阿爾托大學的奧利·艾卡拉教授提出了如果材料可以學習會意味著神秘？這引發(fā)了我們的興趣?！薄坝性S多人會說，我們把設計的這個自我學習的小軟體機器人比喻得太遠了?！卑⑷稹て绽锬贰ぜf道，“從某種意義上說，這些人是正確的，因為與生物系統(tǒng)相比，我們研究的材料還很簡單并且有限。但即便是在他們正確的情況下，我們的研究和巴浦洛夫實驗的比喻也仍然成立?！?/p>

張航說：“傳統(tǒng)的軟體機器人大多都擁有對外界刺激的響應性，比如對光或氣壓等。但此類響應性一般不會隨時間的變化或自身的經(jīng)歷而發(fā)生變化。我們的研究主要是讓材料擁有了通過條件反射獲得新響應性的能力，盡管此能力仍然非常的原始和簡單，并且在機理上與生物體的學習完全不同，但它的外在表現(xiàn)符合經(jīng)典條件反射的邏輯。”“而這正是我們的設計與之前相關研究的最大不同之處?！睆埡秸f，“我們預計擁有‘自我學習能力的軟體機器人，會成為該領域的下一個突破方向，并最終給人們帶來更加智能化的軟體機器人?！睂τ诮酉聛淼难芯?，他們表示下一步是要增加系統(tǒng)的復雜性和可控性級別，以便找到可以被生物系統(tǒng)使用的類比的極限。“我們的最終目的是實現(xiàn)人工材料的深層次仿生，以及軟體機器人的高度自動化?！痹普f。

關于其在應用角度的提問，張航表示：“從這種材料的特性來看，它能作為可遠程控制的可調軟微型機器人，未來會是生物醫(yī)學應用的理想材料。但就目前而言，這項研究還處于初級理論階段，距離實際應用仍有一定距離?！睂τ谙乱徊降难芯?，張航和曾浩有著類似的規(guī)劃：我們會繼續(xù)專注于發(fā)現(xiàn)更多更好的、能實現(xiàn)經(jīng)典條件反射的材料體系。從長遠來看，擁有經(jīng)典條件反射能力是使材料擁有真正復雜學習能力的第一步。而這些材料預計在未來能為我們帶來更加智能的、對環(huán)境有更好適應能力的、可自主學習并進化的機器人或其他人造體系。

二人的學習經(jīng)歷

曾浩，本科和碩士均畢業(yè)于南開大學物理學院，分別在2008年和2011年獲得了光子學與技術的學士和碩士研究生學位。在2011年～2015年期間，在意大利的佛羅倫薩大學讀博士，師從德里克·維爾斯馬教授，也正是在博士期間，開始接觸到液晶聚合物人工肌肉材料，以及其激光微結構加工技術的研究。

在2016年，他前往芬蘭的坦佩雷大學并跟隨阿瑞·普里姆·吉教授進行博士后研究，并于2018年獲得了芬蘭國家學院博后研究員稱號。曾浩長期從事光控微型機器人的開發(fā)研究，力圖在光響應智能材料中實現(xiàn)復雜的自適應功能。在一個很偶然的機會，他接觸到芬蘭阿爾托大學的奧利·艾卡拉教授，也就被這個充滿想象力的、能“自我學習”的材料的研究設想所深深吸引。隨后，他便和奧利·艾卡拉課題組的博后研究員張航共同設計具體的實驗方案。最后在兩個課題組的共同努力之下，非常幸運地完成了在Matter上發(fā)表的工作。

張航，本科畢業(yè)于同濟大學材料科學與工程專業(yè)，碩士則畢業(yè)于德國亞琛工業(yè)大學化學專業(yè)。他于2017年在位于亞琛的萊布尼茨交互材料研究所獲得了博士學位，研究課題為基于水凝膠的光驅動軟微機器人。隨后，便在芬蘭的阿爾托大學進行博士后的研究至今。他的研究方向主要包括等離子體納米顆粒的自組裝、可編程凝膠，以及軟機器人。一直以來，張航都對使用人造材料來實現(xiàn)各種不同的生物擬態(tài)和仿生功能十分感興趣，因此加入了阿爾托大學奧利·艾卡拉教授的課題組，從事在人造材料里實現(xiàn)自主學習功能的研究。（摘自美《深科技）（編輯/萊西）