機器人變身智慧材料，模仿生命形態

研究人員成功開發出一群機器人，它們能像智慧材料一樣調整形狀和強度，模仿生命系統的行為。「我們找到了一種讓機器人更像材料的方式，」加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）機械工程教授Elliot Hawkes實驗室的前博士研究員、該研究的主要作者Matthew Devlin表示。這項研究發表在《科學》期刊上。

這些機器人由一個個圓盤狀的自主機器人組成，外觀類似小型冰球。它們被程式設計為能夠自行組裝成各種形狀，並具備不同的材料強度。研究團隊特別感興趣的一個挑戰是創造一種既能保持堅硬和強韌，又能在需要時流動變形的機器人材料。「機器人材料應該能夠保持形狀，」Hawkes解釋道，「但也應該能夠選擇性地流動並形成新的形狀。」然而，當機器人緊密連線在一起時，它們無法隨意流動和改變形狀。直到現在，這個問題才被解決。

研究團隊從前UCSB教授、現任德累斯頓工業大學「生命物理學卓越叢集」（PoL）主任Otger Campàs的研究中獲得靈感，探討了胚胎如何被物理塑形。「活體胚胎組織是最終的智慧材料，」他表示，「它們能夠自我塑形、自我修復，甚至控制其材料強度在空間和時間上的變化。」在UCSB期間，他的實驗室發現胚胎可以像玻璃一樣融化來塑造自己。「為了塑造胚胎，組織中的細胞可以在流體和固體狀態之間切換，這是一種在物理學中被稱為剛性轉變的現象，」他補充道。

在胚胎發育過程中，細胞具有非凡的能力，能夠相互排列，將生物體從一團未分化的細胞轉變為具有不同形態（如手和腳）和質地（如骨骼和大腦）的結構。研究團隊專注於實現這些剛性轉變背後的三個生物學過程：發育中的細胞施加的主動力，使它們能夠移動；生化訊號，使這些細胞能夠在空間和時間上協調運動；以及它們相互粘附的能力，這最終賦予了生物體最終形態的剛性。

在機器人世界中，細胞間的粘附相當於機器人單元周邊的磁鐵，使機器人能夠相互連線，並讓整個群體表現得像一種剛性材料。細胞之間的額外力量則透過每個機器人圓形外部的八個電動齒輪編碼為機器人單元之間的切向力。透過調節這些力量，研究團隊能夠在完全鎖定和剛性的集體中實現重新配置，使其能夠重塑形狀。動態單元間力量的引入克服了將剛性機器人集體轉變為可塑性機器人材料的挑戰，模仿了活體胚胎組織。

生化訊號則類似於一個全球座標系統。「每個細胞都知道它的頭和尾，因此它知道該往哪個方向擠壓和施加力量，」Hawkes解釋道。這樣，細胞群體能夠改變組織的形狀，例如當它們彼此排列並拉長身體時。在機器人中，這一功能透過每個機器人頂部的光感測器和偏振濾鏡實現。當光線照射到這些感測器時，光的偏振告訴它們旋轉齒輪的方向，從而改變形狀。「你可以在恆定的光場下一次性告訴它們該往哪個方向移動，它們就能排列並完成所需的動作，」Devlin補充道。

基於這些原理，研究團隊能夠調節和控制機器人群體，使其像智慧材料一樣運作：群體中的某些部分會啟動機器人之間的動態力量並使集體流動化，而其他部分的機器人則會簡單地相互連線以形成剛性材料。透過在時間上調節這些行為，研究人員創造了能夠承受重負荷但也能重塑形狀、操縱物體甚至自我修復的機器人材料。

目前，這個概念驗證的機器人群體由一組相對較大的單元（20個）組成。然而，Campàs實驗室的前博士後研究員、現任EPFL助理教授的Sangwoo Kim進行的模擬表明，該系統可以擴充套件到更多微型單元。這可能使開發由數千個單元組成的機器人材料成為可能，這些材料能夠隨意改變形狀並調整其物理特性，從而改變我們今天對物體的概念。

除了在機器人領域的應用外，這些機器人集體與機器學習策略的結合還可能在物理學中的活性物質研究或生物學中的集體行為研究中產生顯著的能力，將科幻夢想變為現實。