導讀
昨天，Nature封面刊登了一篇重磅研究成果——仿細胞集群機器人系統，實現了集群機器人的自主控制，這成為工程學領域一項重大突破！該機器人系統可以在各個部件機器人隨機運動的情況下導致確定性的行為，這一切就像在生命系統中發生的那樣。該論文一作為中國籍年輕博士。
該論文作者，中國籍年輕博士李曙光本科畢業於西安的西北工業大學，獲得機械與航空航天工程學士學位，目前在哈佛大學任博士後研究員。
集群機器人很早就出現在了大眾的視野中，但是其規模下的可控制性一直令研究人員頭疼。
在生物系統中，不乏通過隨機移動的小規模組件的集體耦合和協調以實現大規模行為的例子。
癌細胞的擴散就是典型的一例，在這篇論文中，李曙光博士發佈的成果表明，隨機性為開發具有強大確定性行為的大規模集體機器人系統提供了一種有效的途徑。
考慮到系統在自由度、穩定性等方面的複雜性，研究人員採用了一種替代性的方案將這些約束降到最低，這就是咱們的粒子機器人。
每個粒子機器人包含了許多圓盤形結構。為了簡單，每個粒子只有一個自由度，只能沿著徑向膨脹和收縮。
每個粒子的邊緣都有類似小鉤的結構，這樣在粒子收縮時就能將相鄰的粒子拉起來，膨脹時將相鄰的粒子放開，這樣就可以自發地破壞和重建連接，形成鬆散而又相關的結構，就像人體細胞既可以移動，又不會使得整個人垮掉。
為了使得這些粒子機器人隨機化，研究人員賦予了它們一項特權，每個粒子可以主動響應其本地環境並通過非特定通信的方式對其它粒子進行廣播，換言之它們獲得了自治權。
這樣一來，對於一個粒子而言，它是什麼都幹不了的，只能在原地開合，只有一群粒子才有機會搞事情。
如何搞事情呢？這就很講究了，突破口就是各個粒子振盪的相位差，簡單的說，就是各個粒子張合的先後順序，我們先拿出三個粒子來分析一下：
每個小圓就是一個粒子，圓內的數字就是粒子振盪的時間
- 第0S時，只有白色的圓張開了，由於綠色和黑色都沒動，這樣產生的摩擦力就大於白色的圓產生的摩擦力，這樣白色的圓就只能被擠到前面。
- 第0.5S時，綠色的圓也動起來了，由於白色的圓在向前移動，所以白色一側的阻力要小於黑色一側，這樣綠色的球和白色的球就一起跑掉了。
- 最後在白色圓和綠色圓的合力下就把黑色的圓也向前拉走了，長江前浪拉後浪（實際的情況更為複雜）。
這樣一來，三個粒子就產生了確定的運動——向前，但我們卻沒有特別的操控任意一個粒子，這樣單個粒子隨機的運動就產生整體確定的運動，要是千千萬萬的粒子一起這樣隨機的動起來，就會呈現更為複雜的運動情況。
受到生物學細胞集群遷移現象的啟發，研究人員開發了一個簡單的分佈式算法，該算法規定每個粒子的相位偏移與其感測的信號強度成比例。
這樣研究人員實現了
通過外部刺激引導自主運動，像極了一些昆蟲的趨光性。
在這一系列的成果中，粒子機器人集群體現了較好的魯棒性，整體表現得很穩定，在有障礙的場合也體現了其避障的能力，這都表明了隨機的大規模的魯棒性非定形機器人系統可以產生確定的行為，可由此設計出更為複雜且要求更為嚴格的機器人。
這為微米和納米級機器人領域的發展提供了新的選擇。這種將機器人作為統計機器而不是確定機器的觀點，為控制更大規模的機器集群提供了新的思路。
想象一下，未來的某一天，一群自主納米級機器人以癌細胞為刺激源，氣勢洶洶的將這些癌細胞殺死的場景。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1022-9
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