2019年3月20日，Nature封 面 發(fā)布了一項(xiàng)重大工程學(xué)突破——仿生物細(xì)胞群體機(jī)器人問世。這個(gè)“粒子機(jī)器人”具有超強(qiáng)的魯棒性和更高的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了光向?qū)н\(yùn)動(dòng)和躲避障礙物，論文第一作者為目前正在哈佛大學(xué)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(tǒng)中，大規(guī)模的行為可以通過隨機(jī)移動(dòng)的小規(guī)模組件的集體耦合和協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)。例如，在傷口愈合和癌癥擴(kuò)散的過程中，活細(xì)胞聚集并集體遷移，研究人員正是受到這些生物機(jī)制的啟發(fā)，研發(fā)了一個(gè)集體機(jī)器人系統(tǒng)，其中確定性運(yùn)動(dòng)是許多松耦合的圓盤形部件隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。結(jié)果表明，隨機(jī)性為開發(fā)具有魯棒確定性行為的大規(guī)模集體機(jī)器人系統(tǒng)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(dú)立運(yùn)動(dòng)，也不能單獨(dú)操作。此外，每個(gè)部件只能通過沿其半徑振蕩、伸展和收縮來移動(dòng)，作者將這種極簡(jiǎn)主義的方法稱為“粒子機(jī)器人”。在沒有外部刺激的情況下，系統(tǒng)只能隨機(jī)移動(dòng)。然而，當(dāng)組件被編程來調(diào)整它們的直徑以響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào)時(shí)，就會(huì)集體向信號(hào)源移動(dòng)。

研究人員進(jìn)行的粒子機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最多有24個(gè)組件，并進(jìn)行了10萬個(gè)組件的仿真。在振蕩過程中，每個(gè)元件的直徑從15.5cm～23.5cm不等。作者表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)魯棒運(yùn)動(dòng)和物體移動(dòng)，以及光定向運(yùn)動(dòng)和避障。值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)，即使20%的組件發(fā)生故障，也可以保持運(yùn)動(dòng)，這突出了粒子機(jī)器人方法對(duì)單個(gè)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(dú)立運(yùn)動(dòng)、可以單獨(dú)操作，并且基于相對(duì)復(fù)雜的確定性設(shè)計(jì)2-5的組件。以前報(bào)道的大多數(shù)集體機(jī)器人系統(tǒng)在允許的配置方面具有有限的靈活性，而那些非晶態(tài)系統(tǒng)通常包含的組件具有有限的可伸縮性。此外，其中許多系統(tǒng)需要某種程度的集中控制，這進(jìn)一步限制了它們的功能和可伸縮性。

在這方面，粒子機(jī)器人方法提供了一個(gè)有希望的替代方法。除了受到生物系統(tǒng)的啟發(fā)，該技術(shù)還受到統(tǒng)計(jì)物理現(xiàn)象的推動(dòng)，在這種現(xiàn)象中，可以對(duì)大量隨機(jī)成分的全球統(tǒng)計(jì)行為進(jìn)行建模和控制，而不需要跟蹤每個(gè)成分。因此，與其他方法相比，該方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是當(dāng)擴(kuò)展組件數(shù)量和縮小每個(gè)組件的大小時(shí)，這種擴(kuò)展將是集體機(jī)器人系統(tǒng)在勘探，建筑和醫(yī)學(xué)中的許多未來潛在應(yīng)用所必需的。德國(guó)馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所科學(xué)家評(píng)價(jià)認(rèn)為：“這種全新機(jī)器人具有傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)所沒有的可擴(kuò)展控制和魯棒性——這是一種抗干擾能力參數(shù)，也是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵?！睂?，若是該粒子機(jī)器人系統(tǒng)的大小能夠達(dá)到微米級(jí)別，那么將在醫(yī)療等眾多領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響和重大的突破。例如可以使用粒子機(jī)器人方法將藥物輸送到人體內(nèi)難以到達(dá)的區(qū)域。