机器人吃其他机器人：机器代谢的优势

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我们已经有了吃东西的机器人，但它们不会代谢任何东西。

几十年来，我们一直试图通过模仿生物的智力和运动来使机器人更智能、体能更强。哥伦比亚大学的发育机器人研究员菲利普·怀德（Philippe Wyder）认为：“但在这样做的过程中，我们只是在复制生物进化的结果。我认为我们需要复制生物进化的方法。”怀德领导的团队展示了一种他们所说的具有新陈代谢基本形式的机器。

他和他的同事们制造了一个机器人，可以通过吞噬其他机器人来使身体成长、变得更强壮、更能干并使自身可以继续运行。

大自然的方法

机器人新陈代谢的想法结合了人工智能和机器人技术中的各种概念。首先是人工生命，怀德称其为“人们通过计算机模拟研究生物体进化的领域”。然后是模块化机器人的想法：可重构的机器——可以通过重新排列基本模块的集合来改变其架构。上世纪90年代，美国卡内基梅隆大学的丹妮拉·鲁斯（Daniela Rus）或马克·严（Mark Yim）首次提出这一概念。

最后是马格努斯·埃格施泰特（Magnus Egerstedt）在他的《机器人生态学》一书中提出的：我们需要把机器中传统的、以目标为导向的设计，转变为生命体中以生存能力为导向的设计。

怀德的团队将所有这些想法融合在一起，设计出了一个可以“吃掉”其他机器人的机器人原型。怀德说：“我是从多个角度来看待这个问题的。”

不过，灵感的主要来源是大自然构建生物的方式。生物普遍使用的20种标准氨基酸可以组合成数万亿个蛋白质，构成无数生命形式的组成部分。怀德在项目初期设计了一个基本的机器人模块，其作用大致相当于单个氨基酸。这种模块被称为“桁架链路”，看起来像一根杆，长16厘米，内含电池、电子控制器和伺服电机，这使连杆可以在直线方向上伸缩和爬行。每根杆的两端都有永磁体，可以连接其他杆，并形成轻质网格。

怀德的想法是将许多这样的模块扔进一个密闭的空间里，看它们是否会通过相互碰撞组装成更复杂的结构。这个过程可能类似于，约40亿年前氨基酸自发形成简单有机分子的过程。

机器人在每个阶段都消耗材料并自我改进

机器人的成长

怀德的第一个实验是在一个有一些地形特征的空间里进行的，比如，一个落差地貌、一些障碍物和一个立着的圆柱体。这些机器人由团队操作，指挥它们形成各种结构。三个桁架连杆在一个中心点与磁铁相连，形成一个三叉星。它们形成的其他结构包括三角形、带有尾巴的菱形（尾部是一个与三叉星相连的三角形）或是四面体，以及一个看起来像三角形金字塔的三维结构。机器人必须找到其他桁架链接，并使其成为自己身体的一部分，才能成长为更复杂的形态。

四种变形

随着它们的成长，它们的能力也越来越强。单个桁架连杆只能沿直线移动，三角形可以左右转弯，带尾巴的菱形可以穿过小凸起，而四面体可以在小墙壁上移动。最后是带有棘轮的四面体——机器人可以使用的额外的桁架连杆，有点像拐杖——可以帮助其他机器人形成四面体，这是一个困难且危险的动作，即使是熟练的操作员，也需要多次尝试。

不过，所有这些尺寸和能力的增长都是由控制硬件的研究人员精心策划的。现在的问题是，在无人控制的情况下，这些自组装过程能否发挥作用。

怀德说：“我们想知道桁架连杆是否会自行连接。如果桁架连杆完全平行，它们将永远不会连接。但平行只是一种构型，还存在无数中不平行的构型。”为了验证这一点，研究团队使用了在围墙环境中随机生成和随机移动的六个桁架链接的计算机模拟。在经过每次20分钟的2000次运行后，模块最终形成两个三叉星形的概率为64%，组装成两个三角形的概率约为8.4%，而最终形成带尾菱形的概率接近45%（其中一些构型是通往其他构型的中间形态，因此这些数字加起来超过了100%）。

当随机移动时，桁架连杆还可以在磁吸断开后修复结构，甚至可以用新的桁架连杆替换结构中出现故障的桁架连杆。但它们真的代谢了什么吗？

寻找目标

“新陈代谢”这个名字来自希腊语‘metabolē’，意思是“变化”。怀德的机器人可以组装、生长、重组、重建，并在一定程度上内自我维持，这无疑是一种“变化”。

但就像人们普遍理解的那样，新陈代谢是以提取能量和转化化学物质的方式消耗物质。桁架连杆只能使用预制的兼容模块——它们不能消耗一些塑料和旧锂离子电池并将它们代谢成全新的桁架连杆。至于这到底算不算“新陈代谢”，更多地取决于我们想将定义扩展什么程度，而不是实际中这些机器人能做什么。

到目前为止，扩展定义可能是它们最强大的用处。怀德承认：“我无法给你一个真实世界的使用案例。我们试图让桁架连杆将负载从一个点运到另一个点，但这个实验甚至没有写入我们的论文——就目前而言，它只是一个研究平台。”他认为机器人代谢平台首要缺少的就是更多种类的模块。他们团队在这项工作中使用了同构模块，但已经在考虑分支化。怀德解释道：“生命在运作时会使用大约20种不同氨基酸，因此我们目前的重点是将更多模块与各种传感器集成。”但这些机器人还缺少更基本的东西：一个目的。

生命进化是为了增加生存机会，是为了应对捕食者或挑战性生存环境等压力。一个生物通常会尽最大努力避免死亡。

埃格施泰特在《机器人生态学》中认为，我们在制造和设计机器人时也应考虑到“生存能力限制”。怀德在他的文章中也声称，未来我们要发展一种“自给自足的机器人生态”。但他也认为，我们不应该把这把这个人造生命类比得太过。他的目标并不是通过“创建一个机器人生态系统，让机器人捕食其他机器人”这种方式来不断改进自己的设计。

“我们会赋予机器人一个目的。比方说，这个目的是建立一个月球殖民地，”怀德说。生存应该是首要目标，因为如果这个机器人平台不能在月球上生存，它就无法建立月球殖民地。多个小型机器人首先会分散探索该地区，然后组装成一个更大的结构，如建筑物或起重机。“如果时机成熟，这个大型结构会吸收、回收或者说吃掉所有这些小型机器人，以便整合利用它们，”怀德声称。

怀德认为，像这样的机器人平台应该比生命本身更能适应意外情况。他说：“也许某一时刻，拥有第三只手臂真的可以挽救你的生命，但你却无法长出这第三只手臂。但如果时间充足，机器人就不会存在这样问题。”

作者：Jacek Krywko

翻译：4925

审校：7号机

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