在物理學(xué)中，粒子是具有物理特性（比如質(zhì)量或體積）的小型物質(zhì)。而我們無限的宇宙正是由這些毫不起眼的物質(zhì)組成的。

 

　　因此，粒子十分值得研究人員來研究。麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)、康奈爾大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員在他們的合作機(jī)器人系統(tǒng)中命名機(jī)器人為“粒子”。

 

　　最近，《自然》雜志中的一篇文章提出了一種概念：小型機(jī)器人的合作系統(tǒng)也能夠完成復(fù)雜的工作，即使系統(tǒng)中的每個(gè)組件在計(jì)算中都不復(fù)雜。這是自動(dòng)化分支中的群體機(jī)器人的核心理論。盡管它在很大程度上還是研究型大學(xué)的研究范圍，但是在未來，國防、農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施檢查等部門也要依靠成群的小型廉價(jià)機(jī)器人在環(huán)境中工作，完成單個(gè)機(jī)器人永遠(yuǎn)無法完成的任務(wù)。

 

　　粒子機(jī)器人的研究人員的靈感是來自于吸引和排斥的原理。每個(gè)粒子都是圓盤狀的，并通過磁鐵與其周圍的其他粒子松散地連接。即單個(gè)粒子可以遠(yuǎn)離周圍的粒子或靠近它們。
 

粒子機(jī)器人

圖片來源：Felice Frankel

 

　　但是，這個(gè)簡單的動(dòng)作掩蓋了集群可以作為一個(gè)整體，從而執(zhí)行令人難以置信的多樣的任務(wù)。就像一群螞蟻一樣，粒子機(jī)器人可以以它們的方式拾取和運(yùn)輸物體。它們還可以像水流過湍急的河流中的障礙物一樣，在物體周圍無縫地導(dǎo)航物體，這可是單個(gè)大型機(jī)器人無法做到的事情。

 

　　MIT的計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的主任Daniela Rus和電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系A(chǔ)ndrew與Erna Viterbi教授說：“我們所擁有的小型機(jī)器人單元并不像個(gè)體機(jī)器人那么強(qiáng)大能干，但可以作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)完成很多工作。機(jī)器人本身是靜態(tài)的，但當(dāng)它與其他粒子機(jī)器人連接時(shí)，機(jī)器人集體可以開始探索世界并控制更復(fù)雜的動(dòng)作。通過這些機(jī)器人單元，粒子機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同的形狀配置，整體轉(zhuǎn)換，整體行動(dòng)。這是非常強(qiáng)大的。”

 

　　在《自然》雜志的這篇文章中，研究人員展示了多達(dá)十萬個(gè)粒子的模擬使用場景。這個(gè)團(tuán)隊(duì)還使用了一組較小的十幾個(gè)真實(shí)粒子來展示這個(gè)概念。

 

　　和Rus一起寫這篇文章的有：第一作者CSAIL博士后Shuguang Li；共同第一作者Richa Batra和通訊作者Hod Lipson（兩人都是哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的）；康奈爾大學(xué)的David Brown，Hyun-Dong Chang和Nikhil Ranganathan；以及哈佛大學(xué)的Chuck Hoberman。

 

　　每個(gè)粒子的圓柱形底座都裝有電池和小型電機(jī)，以及光傳感器和微控制器。粒子之間不直接相互通信，這是系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。將新粒子添加到系統(tǒng)中，并將其他粒子拿走，也不會(huì)影響周圍粒子的性能。
 

 

　　當(dāng)集體內(nèi)的單個(gè)粒子收到指令要何時(shí)收縮或膨脹時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)就開始起作用了。通過正確的序列，整個(gè)組開始波動(dòng)并移動(dòng)。在這種情況下，微型機(jī)器人上的光傳感器將集體移向光源。通過比較離光源較近的粒子和離光源較遠(yuǎn)的粒子感知到的光強(qiáng)度，粒子簇能夠得到準(zhǔn)確的定位，然后整個(gè)系統(tǒng)開始收縮或膨脹。

 

　　Li說：“這就產(chǎn)生了一種機(jī)械的收縮-膨脹波——一種協(xié)調(diào)的推拉運(yùn)動(dòng)，它能使大型的機(jī)器人集群靠近或遠(yuǎn)離環(huán)境刺激。關(guān)鍵是粒子間共享的同步時(shí)鐘的精確定時(shí)，這樣能使集群盡可能高效地進(jìn)行移動(dòng)。如果弄亂了同步時(shí)鐘，系統(tǒng)的工作效率就會(huì)降低。”

 

　　雖然這個(gè)技術(shù)還沒有被直接應(yīng)用，但可能的未來用例會(huì)包括建筑業(yè)、材料處理和檢查。這個(gè)項(xiàng)目的下一步是使粒子更小型化，以便部署數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個(gè)粒子，從而成為機(jī)器人。