神奇的粒子機(jī)器人

沒(méi)想到吧，像細(xì)胞一樣自由組合靈活多變的機(jī)器人正在從科幻電影中走出來(lái)。就像在傷口愈合是活細(xì)胞聚集并集體遷移的過(guò)程。在生物系統(tǒng)中，群體的大規(guī)模集體遷移是通過(guò)組件的耦合和協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在傷口愈合的過(guò)程中，活細(xì)胞聚集并集體遷移。

受到生物機(jī)制的啟發(fā)，來(lái)自麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種粒子機(jī)器人，這種粒子機(jī)器人可以成群結(jié)隊(duì)地移動(dòng)、運(yùn)送物體和完成其他任務(wù)，并且可以根據(jù)外界環(huán)境自主的改變集群的形狀，具有超強(qiáng)的靈活性和健壯性。

2019年3月20日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面論文的形式報(bào)道了這項(xiàng)研究成果，來(lái)自中國(guó)的李曙光作為該論文署名第一作者。

粒子是如何動(dòng)起來(lái)的呢，不妨讓我們來(lái)看看這個(gè)客觀的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，研究人員制作成功了一種只能沿半徑方向擴(kuò)張和收縮的粒子機(jī)器人（如a圖），當(dāng)多個(gè)例子機(jī)器人組成集群（松散耦合）時(shí)，能夠自主地向光源移動(dòng)（如b圖）。

這種粒子機(jī)器人是由圓盤(pán)狀單元組成（如c圖），圓盤(pán)狀單元收縮時(shí)直徑約為15.5cm，擴(kuò)張時(shí)直徑約為23.5cm（見(jiàn)d圖）。

粒子集群在沒(méi)有外部光源刺激的情況下，只能隨機(jī)移動(dòng)；當(dāng)有外部光源刺激時(shí)，集群可以朝光源移動(dòng)。如果在集群和光源之間設(shè)置一個(gè)有縫隙的障礙物，集群也可以擠過(guò)這個(gè)縫隙，繼續(xù)向光源運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，集群還可以搬運(yùn)微小物體。

值得注意的是，這些粒子機(jī)器人之間的通信是廣播式的，即不是通過(guò)一個(gè)個(gè)的“口耳相傳”，因此可以增加或刪減機(jī)器人，而不影響集群的整體運(yùn)動(dòng)。

為了證明集群的穩(wěn)健性，研究人員用虛擬仿真技術(shù)模擬了多達(dá)10萬(wàn)個(gè)粒子機(jī)器人的集群，發(fā)現(xiàn)哪怕多達(dá)20％的粒子機(jī)器人出現(xiàn)故障，集群仍能繼續(xù)工作。

粒子機(jī)器人由圓柱形基座、電池、小型電機(jī)、傳感器、微控制器、通信組件以及安裝在頂部的霍伯曼飛行環(huán)(一種常見(jiàn)的兒童玩具)組成。

霍伯曼飛行環(huán)上有許多小面板，每個(gè)小面板上都安裝有兩個(gè)小磁鐵。這些小面板連接成一個(gè)圓形，可以展開(kāi)和收縮。當(dāng)多個(gè)粒子機(jī)器人通過(guò)小磁鐵松散地粘在一起時(shí)，就組成了一個(gè)粒子機(jī)器人集群（見(jiàn)e圖）。

為了使集群協(xié)調(diào)地運(yùn)動(dòng)，其中的訣竅是給粒子機(jī)器人編程，讓它們按照精確的順序擴(kuò)張和收縮，從而推動(dòng)整個(gè)集群向光源移動(dòng)。為了做到這一點(diǎn)，他們開(kāi)發(fā)了一種算法，該算法可以使粒子機(jī)器人的傳感器接收到其粒子機(jī)器人廣播的光強(qiáng)信息。

粒子機(jī)器人的傳感器用于檢測(cè)外界光源發(fā)出的光強(qiáng)大小。假設(shè)光強(qiáng)等級(jí)分為1到10級(jí)，離光源最近的粒子機(jī)器人的接受到的是10級(jí)，最遠(yuǎn)的接收到的是1級(jí)。光強(qiáng)等級(jí)決定粒子機(jī)器人擴(kuò)張或收縮的特定順序：接收到10級(jí)型的光強(qiáng)粒子機(jī)器人首先擴(kuò)張、收縮，緊接著接收到等級(jí)為9級(jí)光強(qiáng)的機(jī)器人擴(kuò)張、收縮，以此類(lèi)推。

粒子機(jī)器人的未來(lái)

粒子機(jī)器人的關(guān)鍵和新奇之處在于：“它不用集中控制，沒(méi)有固定的形狀，而且它的部件也沒(méi)有獨(dú)特的標(biāo)識(shí)，每個(gè)粒子機(jī)器人都是各自獨(dú)立的，沒(méi)有任何個(gè)性化的身份信息?！?研究人員說(shuō)：“下一目標(biāo)是將粒子機(jī)器人微型化，并且制造出由數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型機(jī)器人組成的集群?！?/p>

這種微型機(jī)器人最具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域是生物醫(yī)學(xué)，因?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人集群可能會(huì)受化學(xué)梯度、氧梯度或癌組織環(huán)境pH值變化的影響而作定向運(yùn)動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送的功能，這對(duì)于未來(lái)的癌癥治療和藥物研發(fā)方面具有非常大的價(jià)值。此外，還具有診斷、探測(cè)、修復(fù)等應(yīng)用潛力。