將機器人集群轉變為模仿生命的智能材料

研究人員已經設計出一組機器人，這些機器人像智能材料一樣可以調整形狀和強度，模仿活的系統。加州大學聖巴巴拉分校 (University of California, Santa Barbara) 的機械工程教授 Elliot Hawkes 的實驗室的前博士研究生 Matthew Devlin 說：「我們找到了讓機器人更像材料的方式。」他是發表在《科學》期刊上的文章的主要作者。

這些機器人是由個別的圓盤形自主機器人組成，外觀像小冰球。這些機器人被編程可以組合成不同形狀，並具備不同的材料強度。

研究團隊特別關注的一個挑戰是創造一種機器材料，既能保持剛性和強度，又能在需要新形狀時流動。Hawkes 解釋說：「機器材料應該能夠保持形狀，但也能選擇性地流動成新形狀。」然而，當機器人緊密相連時，無法隨意重新配置這個群體。直到現在。

研究人員從 Otger Campàs 的先前研究中獲得靈感，他是前加州大學聖巴巴拉分校 (University of California, Santa Barbara) 的教授，目前是德累斯頓科技大學 (Dresden University of Technology) 生命物理學卓越集群的主任。

他說：「活的胚胎組織是最終的智能材料。它們能夠自我塑形、自我修復，甚至能夠在空間和時間中控制它們的材料強度。」

在加州大學聖巴巴拉分校 (University of California, Santa Barbara) 時，他的實驗室發現胚胎可以像玻璃一樣融化以塑造自己。他補充道：「為了雕刻一個胚胎，組織中的細胞可以在流體和固體狀態之間轉換；這種現象在物理學中被稱為剛性轉變。」

在胚胎發育過程中，細胞有著驚人的能力，能夠圍繞彼此排列，將生物體從一團未分化的細胞變成一組明確的形狀——像手和腳——以及各種不同的組織，如骨頭和大腦。

研究人員專注於使三個生物過程能夠進行這些剛性轉變：細胞之間施加的主動力，使它們能夠移動；生化信號使這些細胞能夠協調它們在空間和時間中的運動；以及它們彼此黏附的能力，最終賦予生物體最終形狀的剛性。

在機器人世界中，細胞之間的黏附相當於使用磁鐵，這些磁鐵被嵌入機器單元的邊緣。這使得機器人能夠相互吸附，整個群體表現得像一種剛性材料。細胞之間的額外力量則是通過機器單元之間的切向力量來編碼的，這是通過每個機器人的圓形外部的八個馬達齒輪實現的。

通過調節這些機器人之間的力量，研究團隊能夠使原本完全鎖定和剛性的集體重新配置，從而改變形狀。引入動態的單元間力量克服了將剛性機器人集體轉變為可塑性機器材料的挑戰，模仿活的胚胎組織。

同時，生化信號就像一個全球坐標系統。「每個細胞都『知道』它的頭和尾，這樣它就知道該朝哪個方向施加力量。」Hawkes 解釋道。這樣，細胞集體能夠改變組織的形狀，例如當它們排成一行並延長身體時。在這些機器人中，這一成就通過每個機器人頂部的光傳感器和偏振濾光片來實現。

當光照射到這些傳感器上時，光的偏振告訴它們如何旋轉齒輪，從而改變形狀。「你可以在一個恆定的光場下同時告訴它們你想要它們朝哪個方向去，它們就可以排成一行，做它們需要做的事情。」Devlin 補充道。

考慮到這一切，研究人員能夠調整和控制這組機器人，使其像智能材料一樣運作：群體的某些部分會啟動機器人之間的動態力量，使集體流動，而在其他部分，機器人則會相互保持以創造剛性材料。隨著時間的推移，調節這些行為使研究人員能夠創造出能夠承受重負荷的機器材料，但也能重新塑形、操縱物體，甚至自我修復。

目前，這個概念驗證的機器人群體由一小組相對較大的單元（20 個）組成。然而，前博士後研究員 Sangwoo Kim 在 Campàs 實驗室進行的模擬顯示，該系統可以擴展到更大數量的微型單元。這可能使得開發由數千個單元組成的機器材料成為可能，這些材料可以隨意採取各種形狀並調整其物理特性，改變我們今天對物體的概念。

除了在機器人技術之外的應用，如物理學中的主動物質研究或生物學中的集體行為，這些機器人集體與機器學習策略的結合可能會在機器材料中產生驚人的能力，將科幻夢想變為現實。