这位中国青年让粒子机器人登上Nature封面 ｜ 专访第一作者李曙光
近日，科学家们针对细胞集体迁移现象展开深入研究，并发现了一种仿生物细胞群体机器人，这一重大工程学突破被刊登在Nature杂志上。这种机器人模拟了生物细胞集体迁移的行为，不仅可以实现移动、搬运物体，还能根据光刺激进行移动。它为开发具有预先确定性行为的大规模群体机器人系统提供了新的途径，并且具有极高的可扩展性。
这项研究由来自多所高校的研究人员合作完成，其中李曙光是论文的第一作者。粒子机器人是他们对这一创新技术的称呼。在实验中，一小群粒子机器人在实验场里展现出了惊人的智能：它们能够根据灯光的指示，自行组织移动。研究者只需要发出一个开始的指令，而无需进一步控制，这些粒子机器人就能奔向光源。
粒子机器人设计独特，每个单独的“粒子”呈圆盘状，内置电池、通信模块、小电机以及独特的机械结构。单个粒子无法自主移动，但可以通过伸缩改变形状，与其他粒子协同工作。当三个粒子在一起时，它们可以通过互相推动和拉扯，沿直线行走。当更多的粒子聚集在一起时，它们可以执行更复杂的任务，如四处移动、搬运物体以及避开障碍物。
与传统的集群机器人不同，粒子机器人的独特之处在于其力学协同。除了信息交换外，粒子机器人通过彼此之间的物理互动（如推、拉）来实现移动和协作。这种设计使得粒子机器人在面对复杂任务时具有更高的灵活性和效率。
李曙光表示，粒子机器人之间的追赶和协同工作是一种独特的研究方向，它结合了信息智能和力学智能。在研究过程中，他们借鉴了细胞生物学的一些研究结论，并将其应用到机器人系统中。与传统的复杂机器人相比，粒子机器人的制造更为简单，易于形成规模。粒子机器人还具有很高的容错性和鲁棒性，使得它们在复杂环境中具有更强的适应性。
德国马克斯普朗克智能系统研究所的科学家Metin Sitti对粒子机器人给予了高度评价：“这种全新机器人具有传统机器人系统所没有的鲁棒性和可扩展控制。”他认为这项研究为开发具有预先确定性行为的大规模机器人系统提供了一种替代方法。未来随着技术的不断发展，粒子机器人有望在各个领域发挥重要作用。无论是医疗、工业还是救援领域，它们都将展现出巨大的潜力。所谓鲁棒性，体现的是系统的容忍性和容错能力，它是一种表征系统抗干扰能力的参数，并且在面对异常和危险情况时，鲁棒性是系统生存的关键。在传统的机器人系统中，单一部件的缺失或故障有时会导致整个系统的失效。粒子机器人在面对“粒子”失效的情况时，展现出惊人的韧性。即使在20%的“粒子”失效的情况下，系统依然能够继续运动，不影响全局任务的完成。
李曙光表示，“20%的失效率在工程系统中是一个相当高的数字。”这一特性使得粒子机器人在面对复杂环境和任务时具有显著的优势。在可扩展性方面，粒子机器人也展现出了令人鼓舞的潜力。
让我们回顾一下传统的模块化机器人。这些机器人由相互独立的制造模块组成，每个模块都包含驱动部分和动力源等。虽然模块化机器人可以模拟一些生物学行为，如自组装、修复和搬运，但它们通常需要集中控制，或在设计上过于复杂，这限制了系统的能力和可扩展性。
粒子机器人的一个引人注目的实验是向一群正在工作的机器人中增派更多的机器人。这些新加入的机器人并没有增加整个集群的协调难度，它们能够迅速组织起有效的运动。研究者无需改变信号端或进行任何指令调整，理论上，参与工作的个体越多，集群正常工作的几率就会越高。
在当前的实验中，研究团队已经成功地使用了25-30个“粒子”组团。李曙光指出，实物实验系统能够达到50个“粒子”的水平，但效率会略有降低，群体运动速度会变慢。这是因为当大量“粒子”聚集在一起时，它们之间的效率会降低，当个体之间过于接近时，它们可能会同时展开动作，浪费能量。
李曙光透露，未来的改进版将突破数量的限制。模拟仿真显示，10万个“粒子”机器人的协作是完全可行的。仿真计算机程序基于实物实验数据进行了校正，能够准确预测机器人的运动和行为。他甚至表示，“我觉得数量再多一些也没问题。”尽管10万个“粒子”之间的碰撞力学计算非常复杂，需要大量的运算资源，但性能强大的计算机能够应对这一挑战。
从理论上看，粒子机器人的数量可能没有上限。这是因为粒子机器人之间不需要一对一的通信来下达指令。信息是广播式地群发，每个“粒子”都是相同的，没有地址和ID的限制，因此可以有无限多个。信号源可以是外部光源，也可以灵活地更换为其他信号源，如热或磁场等。
粒子机器人的研究受到生物系统的启发，并受到统计物理现象的驱动。其“粒子”的结构设计灵感来自于知名设计师Chuck Hoberman的经典作品。他的折叠结构设计理念被运用在了这些“粒子”上，使它们能够在不同状态下展现出不同的形态。
对于这项研究的意义，李曙光认为它提供了一种新的思考方式。对于从事新材料或微纳米系统研究的科学家来说，粒子机器人可以启发他们尝试新的方法。生物科学家也可以利用粒子机器人验证一些假设。例如，细胞集体迁移是一个热门的研究领域，而粒子机器人可以为这一领域的研究提供一个验证平台。
德国马克斯普朗克智能系统研究所的科学家认为，如果粒子机器人系统能够达到微米级别，将在医疗等领域带来深远影响和重大突破。李曙光认为，物流机器人可能是粒子机器人最快获得应用的领域，大群体的机器人控制技术、算法和理念都可以在这里得到应用。这也将是与商业领域结合最快的领域之一。李曙光：研究的下半场与粒子机器人的未来
李曙光，一位从兴趣爱好走向专业研究的机器人领域佼佼者，他的故事引人入胜。
早在初中时期，李曙光就对航模和机器人产生了浓厚的兴趣。2000年，在高考的关键时刻，他追随内心热爱，选择了国内航空航天领域的顶尖学府——西北工业大学，专攻飞行器制造。
命运在大学二年级时为他带来了转机。全国高校机器人竞赛的兴起，让李曙光如痴如醉。他迅速组织起一群志同道合的同学们，向学院申请组建团队，甚至吸引了一些研究生加入。从2002年至2006年，李曙光和队友们屡获殊荣，多次斩获全国冠军，他的队长职务一直延续到硕士毕业。
在MIT办公室内的李曙光，正全身心投入到粒子机器人的研究中（图）。未来，兴趣将继续引领他将研究推向新的高度。他主要关注以下几个方向：
目前“粒子”主要在二维平面上运动，李曙光计划将它们带入三维空间，让“粒子”在立体空间中组成各种形状并自由运动。虽然这是一个巨大的挑战，但李曙光坚信这是未来的必经之路，而三维“粒子”的自重问题是一大待解之谜。
李曙光希望将粒子机器人做得更小，体积要达到厘米级别以下。他意识到目前的“粒子”尺寸仍然较大，虽然单个“粒子”做到两三厘米没有问题，但更小、毫米级的粒子对于目前的设计来说是一个全新的挑战。他坚信，如果能够实现更小的粒子机器人，并通过外部信号来协调它们运动，那么医疗和新材料领域将迎来革命性的突破。
李曙光还强调提高机器人的协作效率是未来研究的重要方向。当前，“粒子”的大小限制了它们的紧密排列，当它们摆放过于密集时，相邻的“粒子”会互相干扰，影响效率。实现更完美的协调是李曙光的目标之一，以避免“你推我，我也推你”的情况。
除了上述方向，李曙光还表示系统的鲁棒性改进仍有空间。他希望即使超过30%-50%的机器人出现故障，系统依然能够完成任务。
李曙光的宏伟目标是打造更出色、扩展性更强的粒子机器人。他的研究之路仍在继续，而这场研究的下半场将充满无限可能和挑战。