粒子机器人可以运输放置在其中间的物体

麻省理工学院、哥伦比亚大学等地的研究人员从生物细胞中汲取灵感，研发出计算简单的机器人，可以将大群人连接起来移动、运送物体，完成其他任务。

这个所谓的“粒子机器人”系统基于麻省理工学院、哥伦比亚工程学院、康奈尔大学和哈佛大学的研究人员的项目，包括许多独立的盘状单元，研究人员称之为“粒子”。粒子松散地连接在它们周围的磁铁上，每个单元只能做两件事：膨胀和收缩。(每个颗粒在收缩状态下约为6英寸，在伸展状态下约为9英寸。当仔细计时时，这种运动允许单个粒子以协调的运动相互推拉。车载传感器使集群能够吸引光源。

在《自然》杂志的一篇论文中，研究人员展示了一个由20多个真实机器人粒子组成的虚拟仿真，以及多达10万个粒子穿过障碍物向灯泡移动的虚拟仿真。他们还展示了粒子机器人可以运输放置在其中心的物体。

粒子机器人可以形成许多配置，并顺利绕过障碍物，挤过狭窄的缝隙。值得注意的是，没有一个粒子是直接相互交流或相互依赖起作用的，所以粒子可以增加或减少，对群体没有任何影响。在他们的论文中，研究人员表明，即使许多单元出现故障，粒子机器人系统也能完成任务。

本文提出了一种思考机器人的新方法，机器人传统上是为一个目的设计的，包含许多复杂的组件，并且当任何组件出现故障时都停止工作。研究人员表示，由这些简单组件组成的机器人可以实现更具可扩展性、灵活性和强大的系统。

计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)主任Daniela Rus和电气工程教授Andrew and Erna Viterbi说：“我们拥有的小型机器人单元没有个人强大，但它们可以作为一个团队完成大量工作。计算机科学。“机器人本身是静止的，但当它与其他机器人粒子连接时，机器人集体可以突然探索世界并控制更复杂的动作。使用这些“通用细胞”，机器人粒子可以实现不同的形状、全局变换、全局运动和全局行为，并遵循我们实验中显示的光的梯度。这是非常强大的。”

加入罗斯的论文有：第一作者李曙光，CSAIL博士后；共同第一作者Richa Batra和对应作者Hod Lipson，哥伦比亚工程学院；康奈尔大学的大卫布朗、玄常东和尼基尔阮冈纳赞；还有哈佛大学的查克霍伯曼。

在麻省理工学院，Rus已经开发了近20年的模块化连接机器人，包括一个可以连接其他人移动的伸缩立方体机器人。但是正方形限制了机器人的群体运动和配置。

在利普森实验室的合作下，李在2014年进入麻省理工学院之前是博士后，研究人员采用了可以相互旋转的圆盘状机构。它们也可以相互连接和断开，并形成许多配置。

粒子机器人的每个单元都有一个圆柱形底座，底座中安装有电池、小电机、用于检测光强的传感器、微控制器和用于发送和接收信号的通信元件。安装在顶部的儿童玩具被称为霍伯曼飞行环——它的发明者是这篇论文的合著者之一——它由连接成圆形结构的小面板组成，这些小面板可以拉伸并推回到合同上。每个面板上都安装了两个小磁铁。

诀窍是对机器人粒子进行编程，使其按顺序精确地膨胀和收缩，从而将整个群体推向和拉向目标光源。为此，研究人员为每个粒子配备了一种算法，该算法可以分析来自每个粒子的光强度广播信息，而无需直接的粒子间通信。

粒子传感器检测来自光源的光的强度；粒子离光源越近，强度越大。每个粒子不断广播一个信号，该信号与所有其他粒子共享其感知的强度水平。假设一个粒子机器人系统测量从1级到10级的光强度：最近的粒子记录10级，最远的粒子记录1级。反过来，强度级别对应于粒子必须花费的特定时间。展开。强度最高的粒子-10级-首先膨胀。当这些粒子收缩时，下一个粒子按顺序排列，然后膨胀。定时膨胀和收缩运动发生在每个随后的水平。

“这将形成一个机械的膨胀-收缩波，一个协调的推拉运动，并使一个大的集群朝着或远离环境刺激的方向移动，”李说。李补充说，关键部件是粒子之间共享的同步时钟的精确定时，它可以尽可能高效地移动：“如果同步时钟出错，系统的工作效率会降低。”

在视频中，研究人员展示了一个粒子机器人系统，包括当真实粒子被轻弹并穿过障碍物之间的间隙时，它们向不同的灯泡移动并改变方向。在他们的论文中，研究人员还表明，由多达10，000个粒子组成的模拟集群一直在移动，速度只有这个速度的一半，甚至有多达20%的单元出现了故障。

“这有点像众所周知的‘灰色粘性’”，哥伦比亚工程公司机械工程教授利普森说，他指的是包含数十亿纳米机器人的自我复制机器人的科幻概念。“这里的关键新奇之处在于，你有了一个新的机器人，它没有集中控制，没有单点故障，没有固定的形状，其组件也没有唯一的身份。