受生物细胞启发的机器人集体

在生物系统中，通过随机(随机)移动的小规模组件的集体耦合和协调可以实现大规模行为。例如，活细胞在伤口愈合期间和癌症扩散时聚集并迁移。受这些生物机制的启发，在自然界的一篇论文中，Li等人。图1报告了一种集体机器人系统，其中确定性运动是许多松散耦合的盘形部件的随机运动的结果。结果表明，随机性为开发具有强大确定性行为的大规模集体机器人系统提供了一种有前途的方法。

在Li及其同事的系统中，盘形组件不能彼此独立移动，不能单独操作。而且，每个部件只能通过沿其半径摆动，通过伸展和收缩来移动。作者将这种简约方法称为“粒子机器人”。在没有外部刺激的情况下，系统只能随机移动。然而，当组件被编程为响应于变化的环境信号调整其直径时，存在朝向信号源的集体运动。

李等人。进行粒子机器人系统包含多达二十几个组件的实验，以及系统中有多达100,000个组件的模拟。在振荡期间，每个部件的直径从15.5厘米到23.5厘米不等。作者表明，该系统可以实现稳健的运动和物体运输，以及光导向运动和避障(图1)。值得注意的是，他们发现即使20%的部件发生故障也可以保持运动，这突出了粒子机器人方法对单个部件故障的稳健性。

以前的研究主要考虑的是可以相互独立移动的组件，可以单独操作，也可以基于相对复杂的确定性设计2-5。大多数先前报道的集体机器人系统在可允许配置方面具有有限的灵活性，而那些非晶态的系统通常包含具有有限可扩展性的组件。此外，许多这些系统需要某种程度的集中控制，这进一步限制了它们的能力和可扩展性。

在这方面，李和他的同事的粒子机器人方法提供了一种有前途的替代方法。除了受到生物系统的启发之外，该技术还受到统计物理现象的驱动，其中可以对大量随机组件的全局统计行为进行建模和控制，而无需跟踪每个组件。因此，该方法相对于其他方法具有显着优势，尤其是在扩大组件数量和缩小每个方法的尺寸时。这种扩展将是集体机器人系统在勘探，建筑和医学中的许多未来潜在应用所必需的。

然而，作者的系统有一些缺点。首先，如果在组件集合的位置处没有环境信号梯度，则系统不能朝向信号源移动。其次，组件需要从手动配置的位置开始，因为它们不能独立移动以相互接合。第三，实验证明的部件数量有限，并且相对较慢且较大;在不久的将来，系统应扩展到更大，更小(甚至可能低至微米级)的组件。第四，这种技术不适用于定向自组装和自组织成复杂的预定几何形状等任务，

因为在小规模的机器人的进步，能够设计和制造大量随机或确定性的组件，这些组件可以表现出集体和蜂拥行为6类似于颗粒机器人系统。在过去几年中，通过设计各个单元之间的磁相互作用，产生了具有明确定义的集体行为的移动微尺度机器人群。一般情况下，用于控制这种群的主要策略依赖于远程控制的全局字段，诸如磁场的单元的响应7，8。虽然很难单独和局部地处理每个单元，但是单元之间的集体耦合交互可以被全局控制，从而导致可编程的本地交互，自组装和集体行为。该方法已被用于在空气和水之间的界面9处实现合成微生物群的集体二维组装，拆卸和操纵。

Li及其同事的粒子机器人系统和大多数其他集体机器人系统主要在两个维度上工作。将这样的系统扩展到三个维度，组件及其在表面或流体内的聚集体的更复杂的机车行为将增加它们可能的未来应用。然而，三维将为稳健的运动，集合稳定性，可逆和可编程的元件连接方法，小型化和控制带来许多硬件设计挑战。

在不久的将来，展示使用其他技术无法实现的集体机器人系统的潜在高影响工程和医疗应用至关重要。例如，成群的随机细菌驱动的微型游泳运动员可以使用粒子机器人方法将药物输送到人体内的目标，难以到达的区域。例如，这种群可以通过化学梯度，氧梯度或癌组织环境10的pH变化来指导。事实上，许多研究11，12已经表明，集体细菌驱动的微型机器人群在靶向给药，医疗诊断和环境检测的应用潜力。