機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)新陳代謝，自我生長(zhǎng)了？！

還是靠“吞噬”同伴做到的。

發(fā)表于Science子刊的新研究顯示，來(lái)自哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種叫Truss Link的模塊化機(jī)器人零件。

它們可以用磁性“關(guān)節(jié)”從一堆零件變成三維形狀，靠吸收環(huán)境零件“長(zhǎng)身體”，摔散了能自己拼回來(lái)，壞了還會(huì)換零件“續(xù)命”。

不得不說(shuō)，從某種意義上還真有點(diǎn)現(xiàn)實(shí)生物體的意思。

因?yàn)?/span>傳統(tǒng)機(jī)器人通常被設(shè)計(jì)為固定形態(tài)的整體，盡管在AI的進(jìn)步下，機(jī)器人能快速地學(xué)習(xí)新知識(shí)、執(zhí)行新任務(wù)，但它們的物理形態(tài)始終是一個(gè)封閉系統(tǒng)，無(wú)法整合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)物理上的成長(zhǎng)或自我修復(fù)。

為了克服這些限制，該研究團(tuán)隊(duì)受生物體作為開(kāi)放系統(tǒng)運(yùn)作（從環(huán)境中吸收物質(zhì)，排出廢物）的啟發(fā)，引入了機(jī)器人新陳代謝這個(gè)概念：依靠自身及同類(lèi)模塊，消耗、排出和再利用環(huán)境中的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)物理發(fā)展。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)提出“機(jī)器人代謝”需滿(mǎn)足兩個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：

1. 不依靠外部拼裝實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)，僅靠自身能力以及同類(lèi)模塊機(jī)器人相互配合。
2. 外部?jī)H提供有限的材料和能量，也就是說(shuō)在代謝過(guò)程中，只會(huì)有相同類(lèi)型的模塊零件，不會(huì)有全新的外部組件參與。

接下來(lái)讓我們看看研究是如何驗(yàn)證機(jī)器人代謝過(guò)程的。

讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)成長(zhǎng)和自愈

Truss Link零件以條形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，具有可伸縮的結(jié)構(gòu)。收縮狀態(tài)下，長(zhǎng)度為28cm，完全展開(kāi)時(shí)，長(zhǎng)度能達(dá)到43cm。

其兩端配備磁性連接器，連接器內(nèi)部安置著直徑為1.27cm的釹磁鐵球，在零件相互連接時(shí)可以被動(dòng)調(diào)整極性，使多個(gè)模塊在連接點(diǎn)產(chǎn)生的吸引力平衡。

外殼通過(guò)磁鐵支架固定在伺服軸上，且磁鐵支架能讓磁鐵自由旋轉(zhuǎn)，確保在連接時(shí)可以從多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固連接，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中最多能實(shí)現(xiàn)了6個(gè)連接器連接。

Truss Link內(nèi)部包含兩個(gè)棱柱形致動(dòng)器、一個(gè)Particle Photon微控制器、一個(gè)WiFi天線(xiàn)、一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器、一個(gè)分壓器以及為其供電的電池。

研究團(tuán)隊(duì)遵循從基礎(chǔ)功能驗(yàn)證到復(fù)雜能力實(shí)現(xiàn)的邏輯，逐步對(duì)Truss Link模塊化機(jī)器人的核心特性進(jìn)行驗(yàn)證。

首先是機(jī)器人的自主生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，這是對(duì)“新陳代謝”概念中“攝取與生長(zhǎng)”能力的驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)以單個(gè)Truss Link零件為起點(diǎn)，先測(cè)試最基本的組合能力。先利用兩端磁性連接器的吸附特性，讓單個(gè)零件與環(huán)境中另外兩個(gè)零件完成端點(diǎn)連接，形成穩(wěn)定的三角形平面結(jié)構(gòu)。

在三角形基礎(chǔ)上，通過(guò)線(xiàn)性伺服驅(qū)動(dòng)零件伸展至100mm沖程（對(duì)應(yīng)43cm全長(zhǎng)），使原有結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)產(chǎn)生空間位移，再吸附3個(gè)新零件形成四面體，實(shí)現(xiàn)從平面到立體的形態(tài)跨越。

為驗(yàn)證生長(zhǎng)的功能性提升，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了“棘輪四面體”，新增零件通過(guò)Actuonix L-12I伺服（微型線(xiàn)性伺服執(zhí)行器）的精準(zhǔn)伸縮控制，與原有結(jié)構(gòu)形成嚙合式連接，最終實(shí)測(cè)移動(dòng)速度從0.3m/s提升至0.5m/s，增幅達(dá)66.5%。

然后是自愈與部件替換實(shí)驗(yàn)，聚焦“新陳代謝”中的“修復(fù)與更新”能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種損傷場(chǎng)景：

一是結(jié)構(gòu)散架，將四面體機(jī)器人從1米高度墜落，使其零件分離。

此時(shí)Truss Link內(nèi)置的Particle Photon微控制器通過(guò)WiFi信號(hào)識(shí)別周邊零件的位置坐標(biāo)，控制線(xiàn)性伺服驅(qū)動(dòng)零件伸縮調(diào)整姿態(tài)，利用磁性連接器的自動(dòng)極性適配功能重新吸附，平均2分鐘內(nèi)完成重組，10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)92%。

A圖呈現(xiàn)了三角星形機(jī)器人的恢復(fù)過(guò)程。該機(jī)器人從邊緣爬下后，所有Truss Link的連接均斷裂，但隨后它重新恢復(fù)為三角星形并爬離。

B圖展示了帶尾菱形機(jī)器人的恢復(fù)過(guò)程。帶尾菱形機(jī)器人從邊緣爬下后，分離成一個(gè)三角星形機(jī)器人和一個(gè)三角形機(jī)器人，三角星形機(jī)器人從三角形機(jī)器人上爬下并重新與其連接，最終恢復(fù)為帶尾菱形形態(tài)。

二是部件失效，模擬某零件電量低于15%，電壓調(diào)節(jié)器會(huì)觸發(fā)替換指令，機(jī)器人先控制該零件磁性端彈簧收縮，解除吸附后將其“丟棄”，再通過(guò)同樣的磁吸邏輯拾取新零件，驗(yàn)證了主動(dòng)更換“代謝廢物”的能力。

具體來(lái)看，棘輪四面體先靠近單個(gè)Truss Link并與其鎖定連接。

接著，它開(kāi)始丟棄失效零件。在第38秒完全收縮且脫離的失效Truss Link從四面體上掉落，并沿斜坡滾下。

之后，四面體自行傾倒兩次以調(diào)整自身方向，以便拾取新找到的Truss Link。在192秒時(shí)完成拾取后，四面體將該Truss Link擺動(dòng)至自身中心位置。

最后是多機(jī)器人協(xié)作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證“新陳代謝”中的“群體協(xié)同”潛力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定兩個(gè)三角形平面機(jī)器人，通過(guò)Truss Link的WiFi建立數(shù)據(jù)交互。

協(xié)作開(kāi)始后，其中一個(gè)棘輪四面體機(jī)器人伸展零件至最大長(zhǎng)度，穿過(guò)白色平臺(tái)上的孔洞去鉤取另一個(gè)機(jī)器人。

它以磁性端為支點(diǎn)頂起另一個(gè)機(jī)器人的邊緣，被頂起的機(jī)器人同步調(diào)節(jié)三個(gè)零件的伸縮量（通過(guò)伺服沖程精確控制），在被抬起后，三角星形與三角形的兩個(gè)自由頂點(diǎn)相連接，從而形成四面體。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)模擬與實(shí)體操作結(jié)合的方式，先在仿真環(huán)境中測(cè)試100組不同初始條件下的生長(zhǎng)、自愈、協(xié)作路徑，再選取30組典型場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證，形成對(duì)“類(lèi)生物新陳代謝”能力的完整驗(yàn)證鏈條。

看到這，只能說(shuō)這種機(jī)器人的表現(xiàn)確實(shí)精彩！

不過(guò)，有人提出：生物細(xì)胞可比CPU復(fù)雜多了，這種 “新陳代謝”遠(yuǎn)達(dá)不到生物強(qiáng)度。

也有網(wǎng)友對(duì)于科技發(fā)展比較樂(lè)觀(guān)：機(jī)器人不必完全遵從生物的進(jìn)化路徑。

研究團(tuán)隊(duì)

Truss Link研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自哥倫比亞大學(xué)。

主要負(fù)責(zé)人Philippe Martin Wyder在哥倫比亞大學(xué)獲得了計(jì)算機(jī)學(xué)士學(xué)位，在2024年獲得了機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。

在哥倫比亞大學(xué)創(chuàng)意機(jī)器實(shí)驗(yàn)室期間，為防止無(wú)人機(jī)濫用，他開(kāi)發(fā)了一款能夠在無(wú)GPS環(huán)境下運(yùn)作的自主狩獵無(wú)人機(jī)。

這款無(wú)人機(jī)在自定義模擬器中進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，能夠向飛行控制器發(fā)送操縱桿輸入，以實(shí)現(xiàn)追捕并擊落另一架無(wú)人機(jī)的操作。

近年來(lái)，Wyder致力于通過(guò)研究機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)物理生長(zhǎng)、自我修復(fù)和自我維持，來(lái)推動(dòng)人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

這次的Truss Link模塊化零件是他在該領(lǐng)域的一次突破性進(jìn)展。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2411.11192