Science子刊丨机器人跟生物一样也能新陈代谢，受损后还可以自愈

转自 量子位

机器人也能实现新陈代谢，自我生长了？！

还是靠“吞噬”同伴做到的。

发表于Science子刊的新研究显示，来自哥伦比亚大学的研究团队设计了一种叫Truss Link的模块化机器人零件。

它们可以用磁性“关节”从一堆零件变成三维形状，靠吸收环境零件“长身体”，摔散了能自己拼回来，坏了还会换零件“续命”。

不得不说，从某种意义上还真有点现实生物体的意思。

因为传统机器人通常被设计为固定形态的整体，尽管在AI的进步下，机器人能快速地学习新知识、执行新任务，但它们的物理形态始终是一个封闭系统，无法整合材料来实现物理上的成长或自我修复。

为了克服这些限制，该研究团队受生物体作为开放系统运作（从环境中吸收物质，排出废物）的启发，引入了机器人新陈代谢这个概念：依靠自身及同类模块，消耗、排出和再利用环境中的物质，实现物理发展。

同时，团队提出“机器人代谢”需满足两个关键标准：

1. 不依靠外部拼装实现生长，仅靠自身能力以及同类模块机器人相互配合。

2. 外部仅提供有限的材料和能量，也就是说在代谢过程中，只会有相同类型的模块零件，不会有全新的外部组件参与。

接下来让我们看看研究是如何验证机器人代谢过程的。

让机器人实现成长和自愈

Truss Link零件以条形结构为基础，具有可伸缩的结构。收缩状态下，长度为28cm，完全展开时，长度能达到43cm。

其两端配备磁性连接器，连接器内部安置着直径为1.27cm的钕磁铁球，在零件相互连接时可以被动调整极性，使多个模块在连接点产生的吸引力平衡。

外壳通过磁铁支架固定在伺服轴上，且磁铁支架能让磁铁自由旋转，确保在连接时可以从多个角度实现稳固连接，研究团队在实验中最多能实现了6个连接器连接。

Truss Link内部包含两个棱柱形致动器、一个Particle Photon微控制器、一个WiFi天线、一个电压调节器、一个分压器以及为其供电的电池。

研究团队遵循从基础功能验证到复杂能力实现的逻辑，逐步对Truss Link模块化机器人的核心特性进行验证。

首先是机器人的自主生长实验，这是对“新陈代谢”概念中“摄取与生长”能力的验证。

实验以单个Truss Link零件为起点，先测试最基本的组合能力。先利用两端磁性连接器的吸附特性，让单个零件与环境中另外两个零件完成端点连接，形成稳定的三角形平面结构。

在三角形基础上，通过线性伺服驱动零件伸展至100mm冲程（对应43cm全长），使原有结构顶点产生空间位移，再吸附3个新零件形成四面体，实现从平面到立体的形态跨越。

为验证生长的功能性提升，团队进一步构建了“棘轮四面体”，新增零件通过Actuonix L-12I伺服（微型线性伺服执行器）的精准伸缩控制，与原有结构形成啮合式连接，最终实测移动速度从0.3m/s提升至0.5m/s，增幅达66.5%。

然后是自愈与部件替换实验，聚焦“新陈代谢”中的“修复与更新”能力。

实验设计了两种损伤场景：

一是结构散架，将四面体机器人从1米高度坠落，使其零件分离。

此时Truss Link内置的Particle Photon微控制器通过WiFi信号识别周边零件的位置坐标，控制线性伺服驱动零件伸缩调整姿态，利用磁性连接器的自动极性适配功能重新吸附，平均2分钟内完成重组，10次重复实验成功率达92%。

A图呈现了三角星形机器人的恢复过程。该机器人从边缘爬下后，所有Truss Link的连接均断裂，但随后它重新恢复为三角星形并爬离。

B图展示了带尾菱形机器人的恢复过程。带尾菱形机器人从边缘爬下后，分离成一个三角星形机器人和一个三角形机器人，三角星形机器人从三角形机器人上爬下并重新与其连接，最终恢复为带尾菱形形态。

二是部件失效，模拟某零件电量低于15%，电压调节器会触发替换指令，机器人先控制该零件磁性端弹簧收缩，解除吸附后将其“丢弃”，再通过同样的磁吸逻辑拾取新零件，验证了主动更换“代谢废物”的能力。

具体来看，棘轮四面体先靠近单个Truss Link并与其锁定连接。

接着，它开始丢弃失效零件。在第38秒完全收缩且脱离的失效Truss Link从四面体上掉落，并沿斜坡滚下。

之后，四面体自行倾倒两次以调整自身方向，以便拾取新找到的Truss Link。在192秒时完成拾取后，四面体将该Truss Link摆动至自身中心位置。

最后是多机器人协作实验，验证“新陈代谢”中的“群体协同”潜力。

实验设定两个三角形平面机器人，通过Truss Link的WiFi建立数据交互。

协作开始后，其中一个棘轮四面体机器人伸展零件至最大长度，穿过白色平台上的孔洞去钩取另一个机器人。

它以磁性端为支点顶起另一个机器人的边缘，被顶起的机器人同步调节三个零件的伸缩量（通过伺服冲程精确控制），在被抬起后，三角星形与三角形的两个自由顶点相连接，从而形成四面体。

整个实验过程通过模拟与实体操作结合的方式，先在仿真环境中测试100组不同初始条件下的生长、自愈、协作路径，再选取30组典型场景进行实体验证，形成对“类生物新陈代谢”能力的完整验证链条。

看到这，只能说这种机器人的表现确实精彩！

不过，有人提出：生物细胞可比CPU复杂多了，这种 “新陈代谢”远达不到生物强度。

也有网友对于科技发展比较乐观：机器人不必完全遵从生物的进化路径。

研究团队

Truss Link研究团队来自哥伦比亚大学。

主要负责人Philippe Martin Wyder在哥伦比亚大学获得了计算机学士学位，在2024年获得了机械工程专业的博士学位。

在哥伦比亚大学创意机器实验室期间，为防止无人机滥用，他开发了一款能够在无GPS环境下运作的自主狩猎无人机。

这款无人机在自定义模拟器中进行训练和测试，能够向飞行控制器发送操纵杆输入，以实现追捕并击落另一架无人机的操作。

近年来，Wyder致力于通过研究机器人如何实现物理生长、自我修复和自我维持，来推动人工智能和机器人技术的发展。

这次的Truss Link模块化零件是他在该领域的一次突破性进展。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2411.11192

参考链接：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6897
[2]https://news.ycombinator.com/item?id=44622999

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