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認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動提出的問題，嚴(yán)格按照互動：你的答案格式在評論區(qū)留言，就有機(jī)會獲得由普林斯頓大學(xué)出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《Top Ten Ideas of Physics: Foundations for Understanding the Universe》。

我們已經(jīng)有了吃東西的機(jī)器人，但它們不會代謝任何東西。

幾十年來，我們一直試圖通過模仿生物的智力和運(yùn)動來使機(jī)器人更智能、體能更強(qiáng)。哥倫比亞大學(xué)的發(fā)育機(jī)器人研究員菲利普·懷德（Philippe Wyder）認(rèn)為：“但在這樣做的過程中，我們只是在復(fù)制生物進(jìn)化的結(jié)果。我認(rèn)為我們需要復(fù)制生物進(jìn)化的方法?！睉训骂I(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了一種他們所說的具有新陳代謝基本形式的機(jī)器。

他和他的同事們制造了一個機(jī)器人，可以通過吞噬其他機(jī)器人來使身體成長、變得更強(qiáng)壯、更能干并使自身可以繼續(xù)運(yùn)行。

大自然的方法

機(jī)器人新陳代謝的想法結(jié)合了人工智能和機(jī)器人技術(shù)中的各種概念。首先是人工生命，懷德稱其為“人們通過計算機(jī)模擬研究生物體進(jìn)化的領(lǐng)域”。然后是模塊化機(jī)器人的想法：可重構(gòu)的機(jī)器——可以通過重新排列基本模塊的集合來改變其架構(gòu)。上世紀(jì)90年代，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）或馬克·嚴(yán)（Mark Yim）首次提出這一概念。

最后是馬格努斯·埃格施泰特（Magnus Egerstedt）在他的《機(jī)器人生態(tài)學(xué)》一書中提出的：我們需要把機(jī)器中傳統(tǒng)的、以目標(biāo)為導(dǎo)向的設(shè)計，轉(zhuǎn)變?yōu)樯w中以生存能力為導(dǎo)向的設(shè)計。

懷德的團(tuán)隊(duì)將所有這些想法融合在一起，設(shè)計出了一個可以“吃掉”其他機(jī)器人的機(jī)器人原型。懷德說：“我是從多個角度來看待這個問題的?！?/p>

不過，靈感的主要來源是大自然構(gòu)建生物的方式。生物普遍使用的20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸可以組合成數(shù)萬億個蛋白質(zhì)，構(gòu)成無數(shù)生命形式的組成部分。懷德在項(xiàng)目初期設(shè)計了一個基本的機(jī)器人模塊，其作用大致相當(dāng)于單個氨基酸。這種模塊被稱為“桁架鏈路”，看起來像一根桿，長16厘米，內(nèi)含電池、電子控制器和伺服電機(jī)，這使連桿可以在直線方向上伸縮和爬行。每根桿的兩端都有永磁體，可以連接其他桿，并形成輕質(zhì)網(wǎng)格。

懷德的想法是將許多這樣的模塊扔進(jìn)一個密閉的空間里，看它們是否會通過相互碰撞組裝成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這個過程可能類似于，約40億年前氨基酸自發(fā)形成簡單有機(jī)分子的過程。

機(jī)器人在每個階段都消耗材料并自我改進(jìn)

機(jī)器人的成長

懷德的第一個實(shí)驗(yàn)是在一個有一些地形特征的空間里進(jìn)行的，比如，一個落差地貌、一些障礙物和一個立著的圓柱體。這些機(jī)器人由團(tuán)隊(duì)操作，指揮它們形成各種結(jié)構(gòu)。三個桁架連桿在一個中心點(diǎn)與磁鐵相連，形成一個三叉星。它們形成的其他結(jié)構(gòu)包括三角形、帶有尾巴的菱形（尾部是一個與三叉星相連的三角形）或是四面體，以及一個看起來像三角形金字塔的三維結(jié)構(gòu)。機(jī)器人必須找到其他桁架鏈接，并使其成為自己身體的一部分，才能成長為更復(fù)雜的形態(tài)。

四種變形

隨著它們的成長，它們的能力也越來越強(qiáng)。單個桁架連桿只能沿直線移動，三角形可以左右轉(zhuǎn)彎，帶尾巴的菱形可以穿過小凸起，而四面體可以在小墻壁上移動。最后是帶有棘輪的四面體——機(jī)器人可以使用的額外的桁架連桿，有點(diǎn)像拐杖——可以幫助其他機(jī)器人形成四面體，這是一個困難且危險的動作，即使是熟練的操作員，也需要多次嘗試。

不過，所有這些尺寸和能力的增長都是由控制硬件的研究人員精心策劃的?，F(xiàn)在的問題是，在無人控制的情況下，這些自組裝過程能否發(fā)揮作用。

懷德說：“我們想知道桁架連桿是否會自行連接。如果桁架連桿完全平行，它們將永遠(yuǎn)不會連接。但平行只是一種構(gòu)型，還存在無數(shù)中不平行的構(gòu)型?！睘榱蓑?yàn)證這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)使用了在圍墻環(huán)境中隨機(jī)生成和隨機(jī)移動的六個桁架鏈接的計算機(jī)模擬。在經(jīng)過每次20分鐘的2000次運(yùn)行后，模塊最終形成兩個三叉星形的概率為64%，組裝成兩個三角形的概率約為8.4%，而最終形成帶尾菱形的概率接近45%（其中一些構(gòu)型是通往其他構(gòu)型的中間形態(tài)，因此這些數(shù)字加起來超過了100%）。

當(dāng)隨機(jī)移動時，桁架連桿還可以在磁吸斷開后修復(fù)結(jié)構(gòu)，甚至可以用新的桁架連桿替換結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)故障的桁架連桿。但它們真的代謝了什么嗎？

尋找目標(biāo)

“新陳代謝”這個名字來自希臘語‘metabolē’，意思是“變化”。懷德的機(jī)器人可以組裝、生長、重組、重建，并在一定程度上內(nèi)自我維持，這無疑是一種“變化”。

但就像人們普遍理解的那樣，新陳代謝是以提取能量和轉(zhuǎn)化化學(xué)物質(zhì)的方式消耗物質(zhì)。桁架連桿只能使用預(yù)制的兼容模塊——它們不能消耗一些塑料和舊鋰離子電池并將它們代謝成全新的桁架連桿。至于這到底算不算“新陳代謝”，更多地取決于我們想將定義擴(kuò)展什么程度，而不是實(shí)際中這些機(jī)器人能做什么。

到目前為止，擴(kuò)展定義可能是它們最強(qiáng)大的用處。懷德承認(rèn)：“我無法給你一個真實(shí)世界的使用案例。我們試圖讓桁架連桿將負(fù)載從一個點(diǎn)運(yùn)到另一個點(diǎn)，但這個實(shí)驗(yàn)甚至沒有寫入我們的論文——就目前而言，它只是一個研究平臺。”他認(rèn)為機(jī)器人代謝平臺首要缺少的就是更多種類的模塊。他們團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作中使用了同構(gòu)模塊，但已經(jīng)在考慮分支化。懷德解釋道：“生命在運(yùn)作時會使用大約20種不同氨基酸，因此我們目前的重點(diǎn)是將更多模塊與各種傳感器集成。”但這些機(jī)器人還缺少更基本的東西：一個目的。

生命進(jìn)化是為了增加生存機(jī)會，是為了應(yīng)對捕食者或挑戰(zhàn)性生存環(huán)境等壓力。一個生物通常會盡最大努力避免死亡。

埃格施泰特在《機(jī)器人生態(tài)學(xué)》中認(rèn)為，我們在制造和設(shè)計機(jī)器人時也應(yīng)考慮到“生存能力限制”。懷德在他的文章中也聲稱，未來我們要發(fā)展一種“自給自足的機(jī)器人生態(tài)”。但他也認(rèn)為，我們不應(yīng)該把這把這個人造生命類比得太過。他的目標(biāo)并不是通過“創(chuàng)建一個機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)，讓機(jī)器人捕食其他機(jī)器人”這種方式來不斷改進(jìn)自己的設(shè)計。

“我們會賦予機(jī)器人一個目的。比方說，這個目的是建立一個月球殖民地，”懷德說。生存應(yīng)該是首要目標(biāo)，因?yàn)槿绻@個機(jī)器人平臺不能在月球上生存，它就無法建立月球殖民地。多個小型機(jī)器人首先會分散探索該地區(qū)，然后組裝成一個更大的結(jié)構(gòu)，如建筑物或起重機(jī)?！叭绻麜r機(jī)成熟，這個大型結(jié)構(gòu)會吸收、回收或者說吃掉所有這些小型機(jī)器人，以便整合利用它們，”懷德聲稱。

懷德認(rèn)為，像這樣的機(jī)器人平臺應(yīng)該比生命本身更能適應(yīng)意外情況。他說：“也許某一時刻，擁有第三只手臂真的可以挽救你的生命，但你卻無法長出這第三只手臂。但如果時間充足，機(jī)器人就不會存在這樣問題?！?/p>

作者：Jacek Krywko

翻譯：4925

審校：7號機(jī)

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今天我們將送出由普林斯頓大學(xué)出版社提供的《Top Ten Ideas of Physics: Foundations for Understanding the Universe》。

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編輯：7號機(jī)

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