工程學(xué)重大突破!中國小伙研發(fā)仿生群體機(jī)器人,榮登《自然》封面

今日，Nature封面發(fā)布重大工程學(xué)突破——仿生物細(xì)胞群體機(jī)器人問世。這個(gè)“粒子機(jī)器人”，具有超強(qiáng)的魯棒性和更高的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了光向?qū)н\(yùn)動(dòng)和躲避障礙物。該論文一作為中國小伙兒，目前在哈佛大學(xué)任博士后研究員。

這篇論文的作者是一位中國年輕小伙兒李曙光。李曙光本科畢業(yè)于西安的西北工業(yè)大學(xué)，獲得機(jī)械與航空航天工程學(xué)士學(xué)位，目前在哈佛大學(xué)任博士后研究員。

李曙光的多項(xiàng)機(jī)器人研究發(fā)表在Nature、美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）、Science等雜志上。這次Nature封面介紹的仿生物細(xì)胞群體機(jī)器人“粒子機(jī)器人”，是他作為第一作者的最新成果。

其主要突破性研究成果包括：

該“粒子機(jī)器人”系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)魯棒的運(yùn)動(dòng)和物體移動(dòng)，以及光導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)和避障；

與已有的仿生機(jī)器人系統(tǒng)相比具有更高的可擴(kuò)展性和魯棒性；

證明了隨機(jī)性為開發(fā)具有魯棒的確定性行為大規(guī)模群體機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種有希望的方法。

李曙光團(tuán)隊(duì)的研究成果，為其它眾多領(lǐng)域開辟了一片新天地。

德國馬克斯?普朗克智能系統(tǒng)研究所科學(xué)家評(píng)價(jià)認(rèn)為：

這種全新機(jī)器人具有傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)所沒有的可擴(kuò)展控制和魯棒性——這是一種抗干擾能力參數(shù)，也是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。

將來，若是該粒子機(jī)器人系統(tǒng)的大小能夠達(dá)到微米級(jí)別，那么將在醫(yī)療等眾多領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響和重大的突破。

突破性“粒子機(jī)器人”：輕松完成光導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)、搬運(yùn)物體和避障

在生物系統(tǒng)中，大規(guī)模的行為可以通過隨機(jī)移動(dòng)的小規(guī)模組件的群體耦合和協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)。例如，在傷口愈合和癌癥擴(kuò)散的過程中，活細(xì)胞聚集并群體遷移。

受到這些生物機(jī)制的啟發(fā)，李曙光等發(fā)表在《自然》雜志上關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的論文結(jié)果表明，隨機(jī)性為開發(fā)具有魯棒的確定性行為大規(guī)模群體機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種有希望的方法。

地址：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00839-x

在該系統(tǒng)中，圓形的部件不能彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，也不能單獨(dú)操作。此外，每個(gè)部件只能通過沿其半徑振蕩、伸展和收縮來移動(dòng)。作者將這種極簡主義的方法稱為“粒子機(jī)器人”。

在沒有外部刺激的情況下，系統(tǒng)只能隨機(jī)移動(dòng)。然而，當(dāng)組件被編程來調(diào)整它們的直徑以響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào)時(shí)，就會(huì)集體向信號(hào)源移動(dòng)。

粒子機(jī)器人群體向光源移動(dòng)

粒子機(jī)器人群體躲避障礙物

粒子機(jī)器人群體搬運(yùn)物體

李曙光等人提出了粒子機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包含多達(dá)二十多個(gè)組件，以及多達(dá)10萬個(gè)組件的仿真。在振蕩過程中，每個(gè)元件的直徑從15.5厘米到23.5厘米不等。

作者表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)魯棒的運(yùn)動(dòng)和物體移動(dòng)，以及光導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)和避障，如圖1所示。

圖1創(chuàng)新的群體機(jī)器人系統(tǒng)。李曙光等人提出了一種機(jī)器人系統(tǒng)，它由許多松散耦合、隨機(jī)移動(dòng)、厘米級(jí)的組件組成。每個(gè)組件只能通過沿其半徑擺動(dòng)，通過伸展和收縮來移動(dòng)。在這種振蕩期間，組件的顏色代表它們的直徑，綠色是最小的、藍(lán)色是最大的；用于測(cè)試系統(tǒng)魯棒性的故障組件用栗色表示。作者表明，他們的系統(tǒng)能夠在躲避障礙物的同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，向環(huán)境信號(hào)(例如光源)表現(xiàn)出確定性的運(yùn)動(dòng)。

值得注意的是，在這個(gè)系統(tǒng)中，即使有20%的組件發(fā)生了故障，系統(tǒng)也可以正常運(yùn)作，這突出了粒子機(jī)器人方法對(duì)單個(gè)組件故障的魯棒性。

以往的研究主要考慮組件可以彼此獨(dú)立移動(dòng)，可以單獨(dú)操作，并且基于相對(duì)復(fù)雜的確定性設(shè)計(jì)，它們具有一些缺陷：

大多數(shù)群體機(jī)器人系統(tǒng)在允許的配置方面具有有限的靈活性，而那些非晶態(tài)系統(tǒng)通常包含的組件具有有限的可擴(kuò)展性；

此外，許多這些系統(tǒng)需要某種程度的集中控制，這進(jìn)一步限制了它們的能力和可擴(kuò)展性。

在這些方面，李曙光等人提出的粒子機(jī)器人除了受到生物系統(tǒng)的啟發(fā)，該技術(shù)還受到統(tǒng)計(jì)物理現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)，可以對(duì)大量隨機(jī)組件的全局統(tǒng)計(jì)行為進(jìn)行建模和控制，而無需跟蹤每個(gè)組件。

因此，該方法與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是當(dāng)擴(kuò)展組件數(shù)量和縮小每個(gè)組件的大小時(shí)。

然而，作者的系統(tǒng)也有一些缺陷：

首先，如果在組件集合的位置沒有環(huán)境信號(hào)梯度，系統(tǒng)就不能向信號(hào)源移動(dòng)；

其次，組件需要從手動(dòng)配置的位置開始，因?yàn)樗鼈儾荒塥?dú)立移動(dòng)以相互接合；

第三是實(shí)驗(yàn)證明的元件數(shù)量有限，速度較慢，體積較大，在不久的將來，該系統(tǒng)應(yīng)該會(huì)擴(kuò)展到更多更快更小的組件(甚至可能是微米級(jí)的組件)；

第四，由于聚合的隨機(jī)性以及組件的隨機(jī)放置和耦合，該技術(shù)不適用于諸如定向自組裝和自組織成復(fù)雜的預(yù)定幾何形狀的任務(wù)。

由于小型機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)和制造大量隨機(jī)或確定性部件成為可能，這些部件能夠表現(xiàn)出與粒子機(jī)器人系統(tǒng)類似的群體、群集行為。

在過去幾年中，通過設(shè)計(jì)各個(gè)單元之間的磁相互作用，產(chǎn)生了具有明確群體行為的移動(dòng)微型機(jī)器人群體。

一般來說，控制這種群集行為的主要策略依賴于單元對(duì)諸如磁場(chǎng)等遠(yuǎn)程控制的全局場(chǎng)的響應(yīng)。盡管很難單獨(dú)或局部處理每個(gè)單元，但單元之間的群體耦合交互可以全局控制，從而產(chǎn)生可編程的局部交互、自組裝和群體行為。

該方法已被用于在空氣和水之間的界面處實(shí)現(xiàn)合成微生物群的群體二維組裝、拆卸和操縱。

未來工作

在不久的將來，展示這種群體機(jī)器人系統(tǒng)的潛在高影響工程和醫(yī)學(xué)應(yīng)用將是至關(guān)重要的，而使用其他技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

成群的隨機(jī)細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人可以使用粒子機(jī)器人技術(shù)將藥物運(yùn)送到目標(biāo)區(qū)域，到達(dá)人體內(nèi)部難以到達(dá)的區(qū)域。

這些菌群可能受化學(xué)梯度、氧梯度或癌組織環(huán)境pH值變化的影響。事實(shí)上，許多研究已經(jīng)表明，群體細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微蟲群在靶向藥物遞送、醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境傳感方面具有潛在的應(yīng)用。

李曙光簡介

李曙光

李曙光，2006年提前攻博至航天學(xué)院師從袁建平教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人與機(jī)構(gòu)。本科和碩士階段（2000-2007）就讀于西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，導(dǎo)師為王俊彪教授。

2008年9月~2009年11月，在國家留學(xué)基金委“國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目”和美國康奈爾大學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金資助下，以聯(lián)合培養(yǎng)博士生身份赴美公派留學(xué)。

自2015年以來，李曙光在哈佛大學(xué)Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering和John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences任Robert Wood教授的博士后研究員。

同時(shí)，李曙光也隸屬于MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室，自2014年以來與Daniela Rus教授合作。

主要研究成果：

S.Li, D.Vogt, D.Rus, and R.J.Wood, “Fluid-driven origami-inspired artificial muscles”, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 201713450, 2017.

S.Miyashita, S.Guitron, S.Li, and D.Rus, “Robotic metamorphosis by origami exoskeletons”, Science Robotics, 2(10):eaao4369, 2017. (Contributed the idea and designed the research).

S.Li, J.Yuan, Y.Shi, and J.C.Zagal, "Growing scale-free networks with tunable distributions of triad motifs", Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 428, 103-110, 2015.

F.Nigl, S.Li, J.Blum, and H.Lipson, “Autonomous Truss Reconfiguration and Manipulation Robot”, IEEE Robotics and Automation Magazine, Sept.2013.

S.Li, J.Yuan, and H.Lipson, “Ambient Wind Energy Harvesting using Cross-Flow Fluttering”, Journal of Applied Physics, 109(2), 2011.

S.Li and H.Lipson, “Vertical-Stalk Flapping-Leaf Generator For Wind Energy Harvesting”, Proceedings of the ASME/AIAA 2009 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, SMASIS2009, Oxnard, CA, USA, September 2009. (Best student paper award).

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https://www.nature.com/articles/d41586-019-00839-x

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