在科幻作品里，我們經(jīng)常能看到那種可以隨意改變形態(tài)、適應(yīng)環(huán)境的機器人，看起來相當(dāng)夢幻，其中最經(jīng)典的莫過于《終結(jié)者》中可以在固態(tài)和液態(tài)之間隨意切換形態(tài)的 T-1000 機器人。而這種超越傳統(tǒng)物質(zhì)形態(tài)的“可編程物質(zhì)”（Programmable matter）或“機器人材料”（Robotic materials）概念，也激發(fā)了科學(xué)家們數(shù)十年的探索熱情。最近，一項發(fā)表在 Science 上的研究，或許讓這一科幻愿景向現(xiàn)實邁進了一大步。
來自美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校和德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的研究人員合作，成功開發(fā)出一種能夠模擬生命系統(tǒng)的機器人集群。這種類材料的機器人集群不僅能像固體一樣堅硬支撐重物，還能在需要時像液體一樣流動變形，形成新的形態(tài)。
日前，相關(guān)論文以《可對強度和形狀進行時空控制的類材料機器人集體》（Material-like robotic collectives with spatiotemporal control of strength and shape）發(fā)表在Science上。
加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校馬修·R·德夫林（Matthew R. Devlin）博士是第一作者，德累斯頓工業(yè)大學(xué)物理生命卓越集群主任奧特爾·坎帕斯（Otger Campàs）和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校副教授艾略特·W·霍克斯（Elliot W. Hawkes）擔(dān)任共同通訊作者。
這項突破性成果解決了機器人材料領(lǐng)域長期困擾科學(xué)家的一個根本難題：如何讓材料既能堅硬支撐負載，又能在需要時流動重組。
這項研究的靈感來源于胚胎組織的物理特性研究?；钆咛ソM織被認(rèn)為是自然界中的終極智能材料，它們具有自我塑形、自我修復(fù)的能力，甚至能在空間和時間上精確控制材料強度。
坎帕斯在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校工作期間，他的實驗室發(fā)現(xiàn)，胚胎能夠像玻璃一樣“熔化”以塑造自身。為了自我塑形，胚胎中的細胞可以使組織在流體和固體狀態(tài)之間切換，這是物理學(xué)中被稱為剛度轉(zhuǎn)變（rigidity transitions）的現(xiàn)象。
在胚胎發(fā)育過程中，細胞具有一種非常奇特的能力，它們可以相互排列組織，將生物體從一團未分化的細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌螤睿ㄈ缡趾湍_）和不同硬度（如骨骼和大腦）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而實現(xiàn)這些剛度轉(zhuǎn)變背后是三個關(guān)鍵的生物學(xué)過程：發(fā)育中的細胞對彼此施加的主動力，使它們能夠相互移動；生化信號，允許細胞在空間和時間上協(xié)調(diào)這些運動；以及細胞間的粘附，最終為生物體提供凝聚力和剛度。
為了將這些生物學(xué)原理轉(zhuǎn)化為機器人技術(shù)，研究人員在每個機器人單元中融入了控制細胞間相互作用的關(guān)鍵過程：波動的單元間切向力、極性和粘附。
每個機器人單元看起來像小型曲棍球冰球，直徑約 5 厘米。研究人員在每個單元的周邊安裝了八個電動齒輪，每個齒輪只有一小部分齒暴露在外。當(dāng)兩個單元接觸時，這些齒輪的相對運動會產(chǎn)生切向力，類似于細胞連接處的張力，這些力的大小和波動特性都可以獨立調(diào)節(jié)。
如研究人員此前所觀察到的，活胚胎中細胞產(chǎn)生的力的波動對于將固態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)至關(guān)重要。基于這一發(fā)現(xiàn)，他們在機器人單元中編碼了力的波動特性，使其能夠模擬生物組織的這一關(guān)鍵特性。
為了模擬細胞對生化信號的響應(yīng)，研究人員在每個機器人單元上安裝了帶偏振濾鏡的光傳感器。當(dāng)光照射到這些傳感器上時，光的偏振方向會告訴機器人單元應(yīng)該向哪個方向旋轉(zhuǎn)其齒輪，從而改變形狀。
這種設(shè)計使得研究人員能夠通過恒定的光場一次性指導(dǎo)所有單元朝特定方向排列，協(xié)調(diào)完成各種需要的任務(wù)。
至于細胞間的粘附，研究人員在機器人單元的周邊嵌入了可旋轉(zhuǎn)的磁鐵，這些磁鐵能使機器人單元相互吸引，形成凝聚力。
他們首先測試了最小的機器人構(gòu)建模塊，包括由四個極化的單元構(gòu)建塊組成的“4-block”和由具有隨機極化的最小三單元構(gòu)建塊組成的“3-block”。通過控制單元間的平均切向力和力波動幅度，他們能夠控制這些基本構(gòu)建模塊的形狀變化和強度特性。
有意思的是，研究人員發(fā)現(xiàn)引入力波動可以顯著降低單元重排所需的平均功率，這對于設(shè)計可能需要在有限功率預(yù)算下運行的機器人來說是一個重要發(fā)現(xiàn)。
當(dāng)擴展到更大規(guī)模的機器人集群（實驗中約 20 個單元，模擬中約 400 個單元）時，研究人員觀察到當(dāng)機器人集群極化，單元間的力對齊時，集群會沿著指定的軸向延伸，類似于活組織中的“收斂延伸”（convergent extension）過程。如果在延伸過程中改變偏振方向，集群會動態(tài)調(diào)整并沿新方向延伸。
此外，通過在空間上控制單元間力，可以只驅(qū)動集群特定部分的延伸，同時保持其余部分不動。研究人員還發(fā)現(xiàn)，單元重排的數(shù)量和速率強烈依賴于力的波動幅度，這有助于集群的延伸。
憑借這種獨特的控制機制，該機器人集群展現(xiàn)了多種前所未有的能力。
首先是結(jié)構(gòu)形成能力，通過在空間和時間上控制力波動和單元的極化，集群能夠局部軟化并形成支柱，最終合并成拱形結(jié)構(gòu)。一旦停止力波動，拱門變得堅硬，能夠承受較大的負荷。此外，集群還展示了類似于活組織傷口愈合的自我修復(fù)能力，通過局部流體化過程閉合結(jié)構(gòu)中的缺陷。
集群的另一項重要能力是物體操縱。通過對集群形狀和強度進行復(fù)雜的時空調(diào)整，集群能夠?qū)ξ矬w施加力，將其精確移動到目標(biāo)位置。該課題組還展示了集群如何重塑自身形成“工具”的能力。例如，通過使集群圍繞物體流動并隨后剛性化，他們創(chuàng)建了一個自定義的“扳手”，可以用來旋轉(zhuǎn)物體。
最為核心的，是其自適應(yīng)支撐能力。實驗證明，集群能夠支撐一個人（約 700 牛頓），這是單個機器人單元（1.3 牛頓）自重的 500 多倍，并能在自身重量下流動變形。這種既能提供強大支撐又能自由流動的特性，充分證明了其作為結(jié)構(gòu)材料的潛力。
值得注意的是，研究團隊還發(fā)現(xiàn)這種控制方式具有高能效的優(yōu)點。在收集機器人行為數(shù)據(jù)后，研究人員觀察到這些機器人在變形過程中不需要消耗太多能量。這對于未來需要在能源受限環(huán)境下工作的機器人系統(tǒng)而言，無疑是一個重要的優(yōu)勢。
目前，這個概念驗證的機器人集群僅由 20 個相對較大的單元組成，但由前坎帕斯實驗室博士后研究員、現(xiàn)瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院助理教授 Sangwoo Kim 進行的模擬表明，該系統(tǒng)可以擴展到包含更多微型化單元，以實現(xiàn)更接近材料的特性。
將這些機器人集群與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，有望解鎖更加復(fù)雜、智能甚至超乎預(yù)期的“涌現(xiàn)”行為，讓機器人材料能夠自主學(xué)習(xí)適應(yīng)環(huán)境、執(zhí)行任務(wù)。
除了機器人學(xué)之外，它也能為研究“活性物質(zhì)”（active matter）物理學(xué)中的相變和集體行為、顆粒系統(tǒng)的力學(xué)特性提供一個理想的、高度可控的實驗平臺。同時，它也可能為生物學(xué)研究，如理解組織發(fā)育、細胞集體遷移等復(fù)雜生命過程，提供新的視角和可供驗證的物理模型。
參考資料：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7942
2.https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250221171339.htm
運營/排版：何晨龍
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