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　在傷口愈合和癌細(xì)胞擴(kuò)散過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞集體遷移現(xiàn)象——細(xì)胞“大軍”目標(biāo)明確地向指定地點(diǎn)集結(jié)。但到目前為止，生物學(xué)家對(duì)這一重要現(xiàn)象還有不少困惑，如每個(gè)細(xì)胞參與有序集體運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，特別是細(xì)胞使用何種信息來(lái)確定集體細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的方向等。

　　一項(xiàng)最新的研究進(jìn)展，也許會(huì)幫助解決上述困擾。近日，Nature 雜志封面發(fā)表重大工程學(xué)突破——仿生物細(xì)胞群體機(jī)器人問(wèn)世。

圖丨李曙光設(shè)計(jì)的粒子機(jī)器人（來(lái)源：MIT NEWS）

　　這種機(jī)器人能夠模擬生物細(xì)胞集體遷移，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、搬運(yùn)物體及向光刺激移動(dòng)。該研究為開(kāi)發(fā)具有預(yù)先確定性行為的大規(guī)模群體機(jī)器人系統(tǒng)提供了全新途徑，且比傳統(tǒng)機(jī)器人和仿生系統(tǒng)具有更高的可擴(kuò)展性。

圖丨李曙光和他設(shè)計(jì)的粒子機(jī)器人（來(lái)源：MIT NEWS）

　　這項(xiàng)工作由來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）、哥倫比亞大學(xué)、康奈爾大學(xué)和哈佛大學(xué)等多所高校的研究人員合作完成。該論文第一作者為中國(guó)科學(xué)家李曙光，目前在 MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室做博士后。

　　針對(duì)粒子機(jī)器人的創(chuàng)新性、獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、未來(lái)應(yīng)用和進(jìn)一步研究等議題，李曙光接受了 DeepTech 的專訪，予以解讀。

（來(lái)源：Nature）

　　極端設(shè)計(jì)逼出創(chuàng)新

　　在一段實(shí)驗(yàn) Demo 中，一小群粒子機(jī)器人表現(xiàn)得很聰明：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)里有兩盞燈，粒子機(jī)器人聚在中間；打開(kāi)左邊的燈，它們就往左邊走；把左邊燈關(guān)掉，打開(kāi)右邊的燈，機(jī)器人又組隊(duì)往右邊去；把兩盞燈都打開(kāi)，它們就朝著中間的方向走。

　　實(shí)驗(yàn)中，研究者只是發(fā)出一個(gè)“開(kāi)始”指令，過(guò)程中完全不加控制，粒子機(jī)器人總能奔著光去。

　　“粒子機(jī)器人，是研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的一個(gè)新詞匯。”李曙光說(shuō)。

（來(lái)源：MIT NEWS）

　　從外觀看，單個(gè)“粒子”呈簡(jiǎn)潔的圓盤狀，內(nèi)置電池、通信模塊、小電機(jī)，以及獨(dú)特設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。單個(gè)“粒子”無(wú)法移動(dòng)，只能像相機(jī)光圈那樣伸縮。在收縮狀態(tài)下，直徑約 15 厘米；在擴(kuò)張狀態(tài)下，直接約 23 厘米。

　　傳達(dá)指令有兩種方式：一是粒子機(jī)器人自帶的 USB 接口；二是每個(gè)粒子機(jī)器人都裝有無(wú)線模塊，研究者可以遠(yuǎn)程寫入程序，然后機(jī)器人群體就按照指令去做。

　　當(dāng)把三個(gè)“粒子”放在一起，“粒子”在接受指令伸縮時(shí)，就會(huì)與“鄰居”互動(dòng)，你推我拽，三個(gè)“小伙伴”就可以沿直線行走。

　　加入更多的“粒子”，就能干更復(fù)雜的事情。一群“粒子”組成的機(jī)器人，可以在光線的引導(dǎo)下，四處移動(dòng)、運(yùn)送物體，以及躲避障礙物。

圖丨生物體內(nèi)的細(xì)胞可以自行形成更大的有機(jī)體，此次研究亦受此啟發(fā)（來(lái)源：Nature）

　　曾有不少人問(wèn)李曙光，為什么不讓單個(gè)“粒子”跑起來(lái)？他回答說(shuō)，“如果讓它跑起來(lái)，那就跟 99% 的研究完全一樣了?！痹瓉?lái)，“粒子”機(jī)器人的最大亮點(diǎn)正來(lái)自于設(shè)置了一個(gè)極端的運(yùn)行條件——單個(gè)“粒子”不能動(dòng)，想動(dòng)，必須靠其他“小伙伴”協(xié)同。

　　蜂群機(jī)器人或稱集群機(jī)器人，是一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。絕大多數(shù)的集群機(jī)器人的單體都是可以移動(dòng)的，或是振動(dòng)式，或是輪式。這些研究更側(cè)重于機(jī)器人之間的信息協(xié)同，聚焦于機(jī)器人如何通訊，如何協(xié)調(diào)，主要工作屬于算法層面的。

　　粒子機(jī)器人系統(tǒng)的獨(dú)特之處，在于除了信息交換，還有力學(xué)協(xié)同，即通過(guò)粒子之間“你推我，我拉你”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖丨此次論文（來(lái)源：Nature）

　　李曙光表示，粒子機(jī)器人互相之間的你追我趕是更獨(dú)特的研究，結(jié)合了信息和力學(xué)兩方面的智能。

　　在論文的合作者中，MIT 的 Daniela Rus 教授和哥倫比亞大學(xué)的 Hod Lipson 教授都是李曙光的導(dǎo)師。他們的研究方向都涵蓋模塊化機(jī)器人，這是一個(gè)研究多年的小領(lǐng)域。
 

圖丨Daniela Rus 和 Hod Lipson （來(lái)源：MIT、哥倫比亞大學(xué) ）

　　李曙光渴望研究些新東西，就找導(dǎo)師溝通，想要打破模塊機(jī)器人的傳統(tǒng)概念——個(gè)體不再是簡(jiǎn)單的模塊，而是與生物和物理學(xué)相結(jié)合，提出基本“粒子”的概念，基本粒子可以組合成各式各樣的智能機(jī)器。

　　在算法和控制上，研究團(tuán)隊(duì)借鑒了細(xì)胞生物學(xué)的一些研究結(jié)論，然后用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了這一過(guò)程。

　　相比復(fù)雜的機(jī)器人，粒子機(jī)器人的制造更簡(jiǎn)單，也易于形成規(guī)模。

　　容錯(cuò)性與可擴(kuò)展性俱佳

　　對(duì)于粒子機(jī)器人，德國(guó)馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所的科學(xué)家 Metin Sitti 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(méi)有的魯棒性和可擴(kuò)展控制。該研究為開(kāi)發(fā)具有預(yù)先確定性行為的大規(guī)模機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種替代方法。

　　所謂魯棒性，代表系統(tǒng)的容忍性或容錯(cuò)性，是一種抗干擾能力的參數(shù)，也是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。

　　在傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)中，單個(gè)部件的缺失或損壞，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。而根據(jù)模擬預(yù)測(cè)，粒子機(jī)器人在 20% 的“粒子”失效的情況下，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，不影響全局任務(wù)。

　　李曙光表示，“20 % 在工程系統(tǒng)里是非常高的數(shù)字?！?/p>

　　在可擴(kuò)展性方面，粒子機(jī)器人也表現(xiàn)出值得樂(lè)觀的結(jié)果。

圖丨2018年比爾蓋茨先生回母校哈佛大學(xué)參觀實(shí)驗(yàn)室，了解機(jī)器人研究領(lǐng)域最新進(jìn)展。圖為李曙光為他講解最新的軟體機(jī)器人研究成果（來(lái)源：李曙光）

　　先來(lái)看傳統(tǒng)的模塊化機(jī)器人，它是由標(biāo)準(zhǔn)的相互獨(dú)立的制造模塊組成，每個(gè)模塊有驅(qū)動(dòng)部分、動(dòng)力源等。

　　實(shí)際上，模塊化機(jī)器人也可以模擬部分生物學(xué)行為，如自組裝、修復(fù)和搬運(yùn)，但大部分系統(tǒng)需要集中控制，或在設(shè)計(jì)上過(guò)于復(fù)雜，這就限制了系統(tǒng)的能力和可擴(kuò)展性。

　　粒子機(jī)器人有一個(gè)好玩的實(shí)驗(yàn)，就是往一群正在工作的機(jī)器人中，增派部分機(jī)器人，結(jié)果像往盆里加水一樣，集群里的機(jī)器人能迅速組織起有效率的運(yùn)動(dòng)。

　　新加入的這部分機(jī)器人，并沒(méi)有讓整個(gè)集群的協(xié)調(diào)難度增加，直接放進(jìn)去就行，研究者不用改變信號(hào)端或者做任何指令調(diào)整。理論上，參與工作的個(gè)體越多，集群正常工作的幾率就會(huì)越高。

　　目前的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用 25-30 個(gè)“粒子”組團(tuán)，完全沒(méi)問(wèn)題。李曙光分析稱，現(xiàn)在的實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能到 50 個(gè)“粒子”，但效率會(huì)降低，群體運(yùn)動(dòng)速度會(huì)變慢。

　　這是因?yàn)椋姸唷傲Ｗ印睌D在一起時(shí)，效率降低了，而且當(dāng)個(gè)體之間挨得太近時(shí)，對(duì)于光源信號(hào)的分辨差別不大，可能會(huì)同時(shí)展開(kāi)，浪費(fèi)了能量。

　　但李曙光透露，未來(lái)的改進(jìn)版，數(shù)量不是一個(gè)特別受限的問(wèn)題。根據(jù)模擬仿真顯示，10 萬(wàn)個(gè)“粒子”機(jī)器人的協(xié)作都沒(méi)問(wèn)題。仿真計(jì)算機(jī)程序是基于實(shí)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)做過(guò)矯正的，可以很準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和行為。

　　“我覺(jué)得數(shù)量再多一些也沒(méi)問(wèn)題。”李曙光分析稱，10 萬(wàn)個(gè)“粒子”之間的碰撞，其力學(xué)計(jì)算非常復(fù)雜, 運(yùn)算量非常大，需要性能很好的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬。

　　從理論上看，粒子機(jī)器人可能不會(huì)有數(shù)量限制。這是因?yàn)?，粒子機(jī)器人之間沒(méi)有一對(duì)一的通信，給群體下達(dá)指令，信息是廣播式地群發(fā)。每個(gè)“粒子”都是一樣的，沒(méi)有地址、沒(méi)有 ID，可以有無(wú)限多個(gè)。

　　此外，目前所使用的信號(hào)源是外部光源，也可以換成熱、磁場(chǎng)等其他信號(hào)源，只要把“粒子”上的傳感器換成相應(yīng)的即可。這在技術(shù)上沒(méi)有任何難度。

　　可能率先應(yīng)用的領(lǐng)域

　　在交流中，李曙光多次強(qiáng)調(diào)“啟發(fā)”一詞。

　　最初粒子機(jī)器人概念的提出，就是受到生物系統(tǒng)的啟發(fā)；此外，還受到統(tǒng)計(jì)物理現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)，從而可以對(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(wú)需跟蹤每個(gè)組件。

　　“粒子”的結(jié)構(gòu)，更是直接受到一種知名玩具的啟發(fā)。

　　這篇論文的作者之一，Chuck Hoberman 是一位知名的設(shè)計(jì)師，小到玩具，大到體育場(chǎng)館，他都有經(jīng)典的作品。他曾用超過(guò) 15 年的時(shí)間，創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)會(huì)變形的玩具，風(fēng)靡了整個(gè) 20 世紀(jì) 90 年代。比如變色球（Switch Pitch），扔起來(lái)是一個(gè)顏色，落下時(shí)就變成另一個(gè)顏色；他還擅長(zhǎng)大型建筑頂棚的變形設(shè)計(jì)，2002 年美國(guó)鹽湖城冬奧會(huì)場(chǎng)館、2019 年超級(jí)碗決賽的場(chǎng)館中，都有他的設(shè)計(jì)手筆。
 

圖丨 Chuck Hoberman（來(lái)源：哈佛大學(xué)）

　　“粒子”的結(jié)構(gòu)，正出自 Chuck 最拿手的折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 就像一個(gè)二維的環(huán)，擠壓它，就變成一個(gè)小圓盤；拉扯它，就變成一個(gè)很大的圓。

　　對(duì)于該項(xiàng)研究的意義，李曙光認(rèn)為是“提供了一種新的思考方式?！睂?duì)從事新材料或微納米系統(tǒng)研究的科學(xué)家，可以啟發(fā)他們做一些新嘗試；生物科學(xué)家可以用粒子機(jī)器人驗(yàn)證一些設(shè)想。

　　比如，細(xì)胞集體遷移是一個(gè)很熱門的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。人體中有很多細(xì)胞不能移動(dòng)，或者說(shuō)運(yùn)動(dòng)效率較差。但當(dāng)多個(gè)細(xì)胞聚在一起時(shí)，可能實(shí)現(xiàn)非常高效的運(yùn)動(dòng)，像傷口愈合、癌癥擴(kuò)散等。

　　生物學(xué)家對(duì)此有很多猜想，推測(cè)細(xì)胞為什么會(huì)這樣動(dòng)？細(xì)胞很難控制和測(cè)量，但粒子機(jī)器人的控制和測(cè)量就容易多了，因此該系統(tǒng)可以給細(xì)胞集體遷移的相關(guān)研究，提供一個(gè)驗(yàn)證的平臺(tái)。

　　德國(guó)馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所科學(xué)家認(rèn)為, 將來(lái)，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(lái)深遠(yuǎn)影響和重大突破。

　　在李曙光看來(lái)，物流機(jī)器人可能是粒子機(jī)器人最快獲得應(yīng)用的領(lǐng)域，大群體的機(jī)器人控制技術(shù)、算法和理念都可以應(yīng)用。這也會(huì)是跟商業(yè)領(lǐng)域結(jié)合最快的。

　　研究的下半場(chǎng)

　　李曙光之所以投身機(jī)器人研究，是一個(gè)從興趣愛(ài)好變成專業(yè)研究者的故事。

　　他念初中時(shí)，就喜歡研究航模和機(jī)器人。2000 年，高考擇校時(shí)跟隨了興趣，李曙光選擇國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域的強(qiáng)?！鞅惫I(yè)大學(xué)，專業(yè)是學(xué)習(xí)飛行器制造。

　　但他大學(xué)二年級(jí)時(shí)，全國(guó)高校開(kāi)始興起機(jī)器人競(jìng)賽，李曙光一下就著了迷，組織幾個(gè)志同道合的同學(xué)，向?qū)W院申請(qǐng)組隊(duì)，后來(lái)還吸引了一些研究生加入。

　　從 2002-2006 年間, 李曙光和隊(duì)友們拿過(guò)幾次全國(guó)冠軍等獎(jiǎng)項(xiàng)。他的隊(duì)長(zhǎng)一職，也直到碩士畢業(yè)前才卸任。
 

圖丨李曙光在MIT辦公室內(nèi)（來(lái)源：李曙光）

　　未來(lái)，興趣依然會(huì)驅(qū)動(dòng)李曙光將研究持續(xù)下去，主要有幾個(gè)方面：

　　首先，現(xiàn)在“粒子”主要是在二維平面上運(yùn)動(dòng)，將來(lái)，“三維版本是一定要做的”，在立體空間，讓“粒子”組成各種各樣的形狀，還能運(yùn)動(dòng)。李曙光承認(rèn)，這一挑戰(zhàn)比較大，三維“粒子”的自重是個(gè)大問(wèn)題。

　　其次，要把粒子做得更小，體積要到厘米級(jí)別以下?，F(xiàn)在“粒子”還比較大，往極限里說(shuō)，單個(gè)“粒子”做到兩三厘米沒(méi)有問(wèn)題；但更小的、毫米級(jí)的，目前的設(shè)計(jì)并不適用。

　　如果“粒子”能做成非常小的顆粒，然后通過(guò)外部信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)它們運(yùn)動(dòng)，是完全可能在醫(yī)療和新材料領(lǐng)域應(yīng)用的。

　　李曙光強(qiáng)調(diào)，粒子機(jī)器人的概念、算法、以及初步驗(yàn)證的結(jié)果都支持更小的“粒子”。目前，“粒子”的個(gè)頭主要受到材料和制造工藝的限制，“對(duì)我們是限制，但是對(duì)搞材料和微納系統(tǒng)的科學(xué)家可能并不是限制?！?/p>

　　此外，要提高機(jī)器人的協(xié)作效率?，F(xiàn)在“粒子”的大小，決定了如果擺放特別密集的話，會(huì)出現(xiàn)相鄰兩排“粒子”互相亂推的情況，影響效率。如果實(shí)現(xiàn)更完美的協(xié)調(diào)，就可以避免“你推我，我也推你”的情況。

　　進(jìn)一步改進(jìn)和提高系統(tǒng)的魯棒性，也還有空間。比方說(shuō)超過(guò) 30%-50% 的機(jī)器人不工作了，系統(tǒng)還能完成任務(wù)。

　　李曙光總結(jié)稱，總體目標(biāo)是把粒子機(jī)器人做得更好，擴(kuò)展性更強(qiáng)

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