「奇異物體」無需中央控制，輕鬆征服崎嶇地形

移動能力，即從一個地方移動到另一個地方的能力，幾乎是所有生物生存的基本策略。無論是細胞、真菌還是微生物，它們都能自主移動並改變形狀，以適應不可預測的地形，探索周圍環境；而動物則透過奔跑、爬行、滑行、滾動和跳躍來移動。然而，儘管計算能力和人工智慧不斷進步，人造機器人仍然難以模仿這種移動方式，尤其是在陌生且不可預測的地形中。

在《自然》期刊發表的一篇論文中，阿姆斯特丹大學和芝加哥大學的物理學家展示了一系列「奇異」物體，這些物體能夠輕鬆跨越各種地形，包括上坡和障礙物。與傳統設計的機器人不同，這些物體沒有中央控制或大腦，它們只是對彼此和地形施加的小力量做出反應。科學家表示，這提供了一種新的移動方式，並可能解決機器人移動中的難題。

「這項研究最引人注目的是它的極簡主義，」論文的共同第一作者科林·謝布納博士表示。「它沒有複雜的演算法來驅動決策。我認為它的簡單性具有某種強大的力量，這讓我們以不同的方式思考移動問題。」

這些奇異機器人並非傳統的機器人設計，而是一組簡單的電動裝置，由彈性彈簧連線。當啟動時，這些基本單元之間的相互作用推動整個裝置向前移動。關鍵在於，這些物體並未被中央「大腦」控制或引導，這使它們與以往大多數機器人移動的嘗試截然不同。相反，移動完全來自於物體電動單元之間的相互作用。

「這些基本單元施加的力量是非對稱且非互惠的，」論文的共同第一作者、阿姆斯特丹大學博士生喬納斯·維恩斯特拉解釋道。「這意味著單元A對其鄰近單元B的反應方式與B對A的反應方式不同。」隨著物體移動，一個自我強化的迴圈被創造出來：地形使物體變形，物體的基本單元感知並進一步變形，從而推動物體前進並遇到新的地形。

這些物體能夠輕鬆穿越極具挑戰性的地形，例如沙堆或滾珠場地。基於相同的原理，研究人員可以構建不同形狀的物體：由連線單元組成的「奇異鏈」像蠕蟲一樣蜿蜒穿過彎曲的隧道和不平坦的地面；而由六邊形網格連線的「奇異球」在平坦地形上滾動，但在上坡時則切換為爬行步態。

與普通彈性材料不同，這些物體的基本單元始終以固定角度對角拉伸，這種現象被稱為「奇異彈性」。科學家強調，不要將這些物體的扭動誤認為是隨機行為。由於其去中心化的特性，以及物體能主動感知並回應環境，它們的移動既可靠又穩健。

「當我們發現它們的穩健性時，感到非常驚訝，尤其是考慮到它們的簡單性，」謝布納表示。他曾在芝加哥大學進行這項研究，現為普林斯頓大學的研究員。即使科學家關閉了超過一半的單元，整個機器人仍能繼續移動。

這項研究屬於「活性超材料」這一新興領域，指的是由電動單元組成的人工結構，這些結構能展現出有趣的能力。「你可以想像許多需要機器人自主進入崎嶇地形的場景，」芝加哥大學物理學教授、研究共同作者文森佐·維特利表示。「一個極具抗損性且遇到越多障礙物就能獲得更多能量的機器人，這概念非常吸引人。」

科學家認為，這項研究的基本原理也很有趣，它可能為我們提供了一種思考方式，來理解沒有中央大腦的動物（如海星或黏菌）如何演化出移動能力。此外，它也可能在材料科學和化學等其他領域找到應用。「令人好奇的是，我們能將這些基本單元做到多小，」謝布納說。「例如，既然它不需要複雜的演算法，是否可以用少數分子來實現？甚至只用幾個化學鍵？利用不對稱性來實現最小反饋迴路，可能會激發小尺度的技術創新。」