登《Nature》子刊！MIT等团队造出水上“变形金刚”，8艘机器人船自主拼接重组

在一个4米长的水池里，8艘边长21厘米的机器人船散落在水面。收到目标形状后，它们同时启动：横向移动、原地转向，在靠近目标位置时主动避开彼此。

几分钟后，8艘机器人船完成排列，船体内部的磁吸机构随即启动。原本各自行动的机器人连接在一起，拼成一块完整的浮动平台。

任务还没结束。

平台再次解体，机器人船重新散开、调整位置，再拼成另一种结构。完成重组后，整个机器人群像一艘更大的船，整体驶向水池边缘。

整个过程中，没有人拿着8个遥控器逐艘操纵。每艘机器人船都能自主定位、控制运动，并与邻近模块交换信息，完成避碰、排列和连接。

这套系统名为FloatForm。近日，该研究同步发表于《Nature Communications》，团队来自MIT、威斯康星大学麦迪逊分校、鲁汶大学和米兰理工大学。

01.

水面上的“变形”，比看起来更难

模块化机器人并不新鲜。此前，研究人员已经让上千个微型机器人在地面排列图案，也开发过能够自行组合的立方体机器人、模块化家具和飞行器。

但把这套思路搬到水面，难度会突然上升。

水始终在动。一艘小船加速，会搅动周围水体；旁边的机器人经过，也会带来扰动。即便关闭推进器，小船仍可能继续漂移或旋转。到了真实海面，风、浪和水流还会把误差不断放大。

因此，FloatForm面对的任务远不止“让几艘机器人船排好队”。每个模块需要同时处理定位、避碰、运动控制和精确对接，连接后还要作为一个整体继续航行。

研究团队将其归入模块化自重构机器人系统，也就是MSRR。简单理解，每个模块都拥有完整的运动和感知能力；它们可以根据任务改变连接关系，临时组成面积更大、功能不同的机器人结构。

其灵感之一来自红火蚁——洪水来临时，红火蚁会彼此咬合，没有谁统一指挥每只蚂蚁站在哪里，蚁群依靠彼此接触和局部协作，逐渐搭成稳定的漂浮筏。

02.

每艘机器人船，都是一个独立模块

FloatForm采用方形船体，单个模块长、宽均为21厘米，高14厘米，大致相当于一个餐盘的尺寸。

船底安装了4个微型推进器，并以“X”形排列。这让机器人可以前后移动、横向平移和原地旋转。当前设计的前进速度约为70毫米/秒，转弯半径接近零。

船底还增加了沿两个方向布置的稳定鳍。增加水动力阻力，降低小船在低速状态下对推进器指令过于敏感的问题，让机器人更容易稳住方向。

真正负责“合体”的装置藏在船体内部。一台伺服电机通过受折纸结构启发的联动机构，同时控制四侧的永久磁铁。

测试中，相邻机器人可跨越约10—15厘米的初始间隙完成吸附。齿轮箱还能依靠机械惯性保持锁合或解锁状态，只有切换时才需要耗电。

水池四角安装了4个固定超声信标，相当于一套“室内GPS”。船上的移动信标通过超声波飞行时间估算位置和朝向，再与惯性测量单元（IMU）的数据经过卡尔曼滤波融合。底层控制采用PID和反馈线性化，用于修正速度、方向以及水动力带来的非线性扰动。

03.

中央发目标，小船自己找位置

FloatForm更值得关注的部分，其实是控制架构。

此前一些水面模块化机器人依赖中央计算机统一规划轨迹、顺序和位置。模块数量增加后，计算与通信负担迅速上升；一旦出现故障或通信中断，整体任务也容易停滞，其他机器人只能原地等待。

FloatForm采用了“轻量中央协调+分布式控制”的混合方案。

中央协调器负责发送目标形状、修正最终位置、下达锁合指令，并为合体后的船群提供目标轨迹；定位、避碰和实时运动控制，则交给每艘船上的计算机。

所有模块运行相同的程序，并通过ROS通信框架交换附近机器人的位置。接到任务后，中央系统先发送一个比最终结构更大的目标区域。各艘船利用人工势场法同时向区域内靠拢：目标形状产生“吸引力”，附近机器人产生“排斥力”，让它们一边集合，一边避免撞在一起。

随着小船逐渐进入目标范围，这一区域会慢慢缩小，把队伍压缩成接近最终结构的方形网格。

此时，中央系统才短暂介入，使用匈牙利算法为每艘船分配准确位置。机器人自行移动到指定格点，最后启动磁铁完成连接。

需要更换形状时，磁吸机构解除，势场中的排斥力让机器人彼此散开。等距离拉开后，它们再按照新指令重新集合、排布和锁合。论文称之为“解耦并行协调”：所有模块可以同时行动，无需排队等待中央规划下一步。

04.

8艘机器人船完成一次“集合、变形和出发”

研究人员在一个4.0米×2.7米×1.2米的淡水水池中，对4艘和8艘机器人船进行了实验。

在8艇实验中，小船先从随机位置集合，拼成目标形状A；随后解除连接，重新排列为形状B；完成第二次锁合后，整个结构一起驶向水池一侧。

每次实验耗时约4—8分钟。

在各10次实验中，4艇系统在无人干预情况下的成功率为90%，8艇系统为70%。团队还在仿真环境中将规模扩展至64个模块，用于测试计算扩展能力以及水流扰动下的漂移补偿。

当然失败也很具体。

机器人有时会陷入人工势场的局部极小值，几艘船相互牵制，谁也到不了目标位置。目前的解决方式，是加入随机扰动，让机器人主动“抖一抖”，挣脱僵局后再次尝试锁合。

其他问题还包括推进器在低速下分辨率有限，以及狭窄水池中的超声信号互相干扰。实验中，个别机器人曾短暂丢失定位信号。不过，信号恢复后，它可以自行返回队伍，并未导致整个系统停摆。

05.

水上“变形金刚”，还没有真正下海

FloatForm目前完成的是受控室内水面实验。

固定超声信标不适合直接搬到开放水域；现有磁吸机构能否承受更强的波浪冲击，也没有得到验证。连接后的机器人群可以在平静水面整体移动，但在持续风浪、低通信带宽条件下保持稳定队形，仍是一个开放问题。

真正进入江河、湖泊或海洋，机器人需要换上GPS、视觉定位或多普勒测速仪，还要增加用于近距离避碰和对接的声学、红外等传感器。船体尺寸、锁合强度、通信网络和续航系统也需要重新设计。

研究团队设想，未来的模块化机器人船可以分散执行环境监测，发现污染后重新组合成围挡；在搜救任务中独立搜索，再集合成临时救援平台；也可以根据需求搭建水上步道、作业平台、传感网络或临时停靠设施。

这些应用距离现实部署还很远。FloatForm现阶段的意义，是跑通了“自主航行—群体集合—物理连接—整体移动—解体重组”的完整链路。

它证明，水面机器人可以同时行动并自主重组。下一步要验证的，是这套系统能否经受真实风浪、通信受限和长期运行的考验。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74527-6#Sec5