机器人'灰色粘性'

“灰色粘性物质”这一由数十亿纳米颗粒组成的机器人的概念,已经让科幻爱好者迷上了数十年。但大多数研究人员认为它只是一个疯狂的理论。

当前的机器人通常是由相互依赖的子组件构成的自包含实体,每个子组件具有特定的功能。如果一个部件发生故障,机器人将停止工作。在机器人群中,每个机器人都是一个独立运作的机器。

在今天发表在“自然”杂志上的一项新研究中,哥伦比亚工程学院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制造由许多松散耦合的组件或“粒子”组成的机器人的方法。与群体或模块化机器人不同,每个组件都很简单,没有单独的地址或身份。在他们的系统中,研究人员称之为“粒子机器人”,每个粒子只能执行均匀的体积振荡(略微膨胀和收缩),但不能独立移动。

由哥伦比亚工程公司机械工程教授Hod Lipson和CSAIL主任Daniela Rus领导的团队发现,当他们将数千颗这些颗粒聚集在一起形成“粘性”簇并使它们在光源反应时振荡时,整个粒子机器人慢慢开始朝着光线前进。

“你可以把我们的新机器人想象成众所周知的”灰色Goo,“利普森说,”我们的机器人没有单点故障,也没有集中控制。它仍然相当原始,但现在我们知道这种基本的机器人范式实际上是可行的。我们认为它甚至可以解释细胞群如何一起移动,即使个体细胞不能。“

一个多世纪以来,研究人员一直在建造自动机器人,但这些机器人是无法生长,治愈或从损伤中恢复的非生物机器。哥伦比亚工程/麻省理工学院的团队一直致力于开发功能强大,可扩展的机器人,即使在各个组件出现故

“我们一直试图从根本上重新思考我们的机器人技术方法,发现是否有办法让机器人不同,”负责创意机器实验室的利普森说。“不仅让机器人看起来像一个生物体,而且实际上像生物系统一样构建它,创造出复杂性和能力巨大的东西,但却由基本上简单的部分组成。”

Rus,也是安德鲁(1956年)和麻省理工学院电子工程和计算机科学的Erna Viterbi教授补充说,“自然界中的所有生物都是由不同方式组合生成有机体的细胞组成。在开发粒子机器人时,问题是我们要问的是,我们能否拥有可以用不同方式组成的机器人单元来制造不同的机器人?机器人可以拥有任务所需的最佳形状 - 蛇穿过隧道或三手机器来工厂我们甚至可以让这些粒子机器人自己制造。例如,假设一个机器人需要一个螺丝刀来自桌子 - 螺丝刀太远而无法触及。如果机器人可以将其细胞改组为长出一条长臂?随着目标的改变,它的身体也会发生变化。“

该团队与哈佛大学Wyss研究所的Chuck Hoberman和康奈尔大学的其他研究人员合作,使用了许多相同的组件或粒子,可以执行简单的运动,如膨胀和收缩。在模拟中,他们演示了包含100,000个粒子的机器人。在实验上,他们展示了包含二十二个颗粒的系统。

“靠近光源的粒子经历更亮的光线,因此更早开始它们的循环,”该论文的共同第一作者,进行物理实验的李曙光解释说。Li是Lipson在康奈尔大学的前实验室的博士后研究员,现在是CSAIL的Rus博士后,他继续说道。“这种运动在整个星团中创造了一种波,从靠近光线的那些波浪到更远的光线,并且波浪使整个星团朝向光线移动。朝向光线的运动创造了一种全局运动,即使个体也是如此。粒子不能独立移动。“

在模拟中对这种行为进行建模,他们探索了更大规模的障碍物避免和物体传输,以及数百和数千个粒子。他们还能够展示其粒子机器人范例对嘈杂组件和个别故障的弹性。

“我们发现,即使20%的颗粒死亡,我们的粒子机器人也保持了大约一半的全功能速度,”该论文的共同第一作者和领导模拟研究的Lipson博士生Richa Batra说。

该团队已经在测试他们的系统中使用了更多的厘米级粒子。他们还在探索其他形式的粒子机器人,例如振动微球。

“我们认为有朝一日可以用数以百万计的微小颗粒制造这类机器人,比如声音或光线或化学梯度的微珠,”利普森说。“这样的机器人可以用来做清理区域或探索未知的地形/结构等事情。”