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麻省理工学院(mit)、哥伦比亚大学(columbia university)和其他一些地方的研究人员从生物细胞中得到启发,开发出了计算简单的机器人,它们可以成群结队地移动、运送物体和完成其他任务。

这个所谓的“粒子”系统——基于麻省理工学院、哥伦比亚工程学院、康奈尔大学和哈佛大学的研究人员的一个项目——由许多单独的圆盘状单元组成,研究人员称这些单元为“粒子”。这些粒子被它们周围的磁铁松散地连接在一起,每个单元只能做两件事:伸展和收缩(每个粒子单元收缩时约为6英寸,伸展时约为9英寸)。如果把握好时间的话,这种运动可以让每个单元以协调的运动相互推拉。机载传感器能够使机器人集群被光源所吸引。

在《自然》杂志3月26日发表的一篇论文中,研究人员展示了一个由24个真实的粒子机器人组成的机器人集群,以及一个多达10万个粒子机器人的机器人集群穿过障碍物走向一个灯泡的仿真模拟。根据他们的展示,粒子机器人还可以移动放置在它中间的物体。

粒子机器人集群可以形成多种形状,并能流畅地绕过障碍物,挤过狭窄的缝隙。值得注意的是,这些粒子机器人没有一个是直接相互通信的,也没有一个是依靠相互依赖来发挥作用的,所以添加或去除个别粒子机器人并不会影响整个机器人集群。在他们的论文中,研究人员还展示了粒子机器人系统在许多设备出现故障的情况下依然能够可以完成任务。

这篇论文代表了一种思考机器人的新方式,传统上,机器人都是为一个目的而设计的,并且由许多复杂的部件组成,任何一个部件发生故障都会导致停止工作。研究人员说,由这些简单组件组成的机器人可以使系统更具可扩展性、灵活性和可靠性。

计算机科学与实验室(csl)主任、电气工程和计算机科学教授安德鲁?维特比(andrew viterbi)和埃尔纳?维特比(erna viterbi)表示:“我们有小型机器人单元,它们作为个体的能力不那么强,但作为一个机器人群体却能完成很多事情。机器人本身是静态的,但当它与其他粒子机器人连接起来时,突然间,机器人集群就可以去探索世界,控制更复杂的动作。有了这些‘通用细胞’,机器人粒子可以实现不同的形状,进行全局变换、全局运动、全局行为,而且,还正如我们在实验中所展示的那样,它还可以遵循光的梯度。这非常强大。”

研究的作者包括:第一作者中国科学院博士后shuguang li;均来自哥伦比亚工程学院的共同第一作者richa batra和通讯作者hod lipson;康奈尔大学的david brown、chang hyun-dong和nikhil ranganathan;还有哈佛大学的chuck hoberman。

近20年来,rus在麻省理工学院一直致力于模块化、连接式机器人的研究,其中包括一个可伸缩的立方体机器人,它可以连接到其他机器人来进行移动,但其正方形的形状限制了机器人的群体运动和立体基阵。

在与李普森实验室(li在2014年来到麻省理工学院之前一直是李普森实验室的研究生)的合作下,研究人员开始研究能够相互旋转的圆盘形机械。它们还可以相互连接和断开连接,并形成许多立体基阵。

粒子机器人的每个单元都有一个圆柱形基座,基座上装有电池、一个小型电机、检测光强的传感器、一个微控制器和一个发送和接收信号的通信组件。在顶部安装的是一个叫做霍伯曼飞行环的儿童玩具——它的发明者是该论文的共同作者之一——它由一些小面板组成,这些小面板连接成一个圆形,可以被拉起来展开,然后再被拉回去收缩,每个面板上安装有两个小磁铁。

粒子机器人集群的诀窍是给机器人粒子单元编程,让它们按照精确的顺序伸展和收缩,从而推动或拉动整个机器人群体朝向目标光源前进。为了做到这一点,研究人员给每一个粒子配备了一种算法,该算法可以分析从其他每一个粒子发出的光强信息,而不需要直接的粒子间通信。

粒子机器人单元的传感器会检测光源发出的光的强度;粒子离光源越近,强度就越大。每个粒子都会不断地发出一个信号,这个信号会与所有其他粒子单元分享该粒子感知到的光强度水平。假设一个粒子机器人测量的光强度范围为1到10级:离光最近的粒子会检测到10级,离光最远的粒子检测到1级。强度水平反过来又跟粒子机器人伸展的特定时间相对应。检测到最高强度(10级)的粒子会首先伸展,当这些粒子收缩时,第9级粒子就会伸展,接着这个按照特定时间的扩张和收缩动作会在每一个光感水平依次发生。

li说:“这就产生了一种机械的伸展-收缩波,一种协调的推拉运动,这种运动将会把一个大的集群推向或远离某个环境刺激。”li补充说,关键的组成部分是粒子单元之间的共享同步时钟的精确计时,机器人正是靠这个来尽可能高效地实现运动:“如果你把同步时钟搞砸了,系统的工作效率就会降低。”

在视频中,研究人员展示了一个粒子机器人系统,该系统由真实的粒子机器人组成,随着各个灯泡被点亮,它们也会朝着不同的灯泡移动和改变方向,并穿过障碍物之间的缝隙。在他们的论文中,研究人员还显示,一个多达10000个粒子机器人的粒子机器人集群即使在有20%的粒子单元失灵的情况下,仍然能够以原来一半的速度保持运动。

“这有点像众所周知的‘灰色粘稠物’,”哥伦比亚大学工程学院(columbia engineering)机械工程学教授利普森说,这里他指的是参考科幻小说中由数十亿个纳米机器人组成的自我复制机器人的概念,“这里的关键创新之处在于,你有了一种没有集中控制的新型机器人,它没有单点故障,也没有固定的形状,它的组件也没有独特的特性。”

李普森补充说,下一步是将这些部件小型化,使之能够成为由数百万微小颗粒组成的机器人。

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