科幻作品的神奇粒子机器人，走进了现实学术资讯

粒子机器人由松散的耦合粒子构成。粒子只能产生简单的膨胀或收缩。但当一系列粒子作为一个整体协调运动时，研究人员观察到了很多有趣的行为。即使在非晶态结构时，粒子机器人也能利用统计力学现象产生运动。

长久以来，由数十亿纳米粒子组成的“灰濛”机器人的概念一直吸引着科幻小说爱好者们的关注，但大多数研究人员认为这只是一种疯狂的想法。机器人通常是由相互依存的子组件构成的自包含实体。每个子组件都有特定的功能，如果某个部件失效，机器人就会停止工作。在集群机器人中，每个小机器人都是一个独立运转的机器。

《自然》杂志3月20日报道，美国哥伦比亚大学和麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究人员首次展示了一种新型机器人的制造方法。这种机器人主要由许多松散耦合的“粒子”构成。它与集群机器人或模块化机器人的不同之处在于，粒子机器人的每个部件都很简单，甚至没有独立的标识。每个粒子只能进行均匀的体积振荡（轻微的膨胀或收缩），但不能独立运动。哥伦比亚大学机械工程学教授Hod Lipson与CSAIL主任Daniela Rus领导了这项研究。他们发现，当将成千上万的粒子集聚成“粘性”集群并让其随着光源振动时，粒子机器人竟然缓慢地向着光源处移动了。

Lipson说：“你可以将我们设计的新型机器人想象成科幻作品中的‘灰濛’。这种机器人不存在单点故障，也不受集中控制。虽然现阶段它还很原始，但它证实了这类型机器人的可行性。此外，我们认为粒子机器人甚至可以用于解释为何单个细胞无法运动，细胞群却可以一起运动。”

研究人员试图制造出自主型机器人，但它们都是非生物机器人，无法生长和自愈。Lipson等一直致力于开发健壮的可伸缩机器人，即时单个部件出现故障，也不影响机器人正常工作。Lipson说：“我们尝试从根本上重新构思机器人的设计方案，以使它与众不同。我们不仅需要让机器人看起来像一个生物体，还要真正地把它构筑成一个生物系统。更重要的是，具备复杂功能的机器人必须由简单的部件构成。”Rus补充说：“自然界中所有的生物都是由细胞组成的，它们以不同的方式结合形成有机体。因此，在开发粒子机器人的时候我们自问，能否用类似的原理制造机器人？”

论文作者Shuguang Li主要完成了物理实验部分，他说：“距离光源越近的粒子会越早进入运动周期。运动会形成一种‘运动波’，波的传递使整个粒子机器人行动起来。”研究人员还研究了粒子机器人对更大型的障碍的规避能力，以及对噪声部件和单个故障部件的恢复适应能力。论文作者Richa Batra说：“即使有20%的粒子丧失机能，我们的粒子机器人仍然能保持近一半的正常运转速度。”

目前，研究人员已经展开了厘米级粒子机器人系统和其他形式的粒子机器人的研究。Lipson说：“终将有一天，科学家会制造出对声音、光线或化学梯度有特定反应的粒子机器人。这类机器人在区域清理和未知地形探索等方面有巨大的应用潜力。”

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编译：雷鑫宇

审稿：阿淼

责编：唐林芳

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190320141024.htm