能更換壞死“組織”并轉(zhuǎn)移“大腦”，“神經(jīng)系統(tǒng)”最復(fù)雜的機(jī)器人部隊(duì)來(lái)了

組合集群機(jī)器人

機(jī)器人模塊之間可以形成有一個(gè)“大腦”和多個(gè)“四肢”組成的任意整體組合。上圖展示了模塊結(jié)合形成不同形態(tài)的整體，并逆向解散恢復(fù)為獨(dú)立模塊的過(guò)程

雖然目前的機(jī)器人在很多方面比不上人類，但是，在可擴(kuò)展性上，機(jī)器人可謂完虐身為碳基生物的我們。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)器人能夠合并、分解模塊，改變自己的功能、外形、體積，從而勝任不同類型的任務(wù)。

近日，由比利時(shí)、西班牙和瑞士研究人員組成的多國(guó)科研團(tuán)隊(duì)展示了一種基于“可融合機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)”的高度靈活的模塊機(jī)器人。研究成果發(fā)表在近期的《自然·通訊》雜志上。

有多靈活呢？堪比孫悟空的萬(wàn)能毫毛。這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)不但可以根據(jù)環(huán)境“72變”，還能夠?qū)崿F(xiàn)“自我修復(fù)”和“大腦轉(zhuǎn)移”，從而達(dá)到目前的機(jī)器人系統(tǒng)所不具備的高效控制效果！

這些神奇功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于上面提到的可融合神經(jīng)系統(tǒng)，而這種神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度在模塊機(jī)器人中也是前所未有的。

“自我修復(fù)”和“大腦轉(zhuǎn)移”

實(shí)驗(yàn)中涉及的機(jī)器人模塊，由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院參與開(kāi)發(fā)的組合集群機(jī)器人marXbot擔(dān)當(dāng)：每個(gè)marXbot機(jī)器人都配有全景攝像頭、紅外傳感器等，使用 Wifi、藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)通訊，通過(guò)ARM處理器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算能力，并支持機(jī)器人模塊間通過(guò)特殊的硬件裝置進(jìn)行連接。

表面上看，這些機(jī)器人模塊并沒(méi)有什么特殊的地方：當(dāng)機(jī)器人模塊未經(jīng)連接時(shí)，每一模塊都有一個(gè)中心大腦，各自獨(dú)立工作。

而當(dāng)模塊連接融合后，神奇的事情發(fā)生了——新的神經(jīng)系統(tǒng)誕生：整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)選擇一個(gè)模塊作為中心大腦（選擇的機(jī)制在下文），并將其他模塊僅當(dāng)作“四肢”。中心大腦負(fù)責(zé)發(fā)出合并拆分命令，四肢則充當(dāng)執(zhí)行器和感受器，負(fù)責(zé)搜集信息。

有了大腦和四肢，自然也少不了“心跳”。在上述功能的背后，科學(xué)家們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)“心跳”通訊協(xié)議，這個(gè)協(xié)議正是用來(lái)感受機(jī)器人集合體中的“生命跡象”的。

在集合體中充當(dāng)大腦的模塊，會(huì)定期發(fā)出類似于心跳頻率的信號(hào)，信號(hào)的內(nèi)容包括通知肢體模塊多久“跳”一次，以及萬(wàn)一有模塊受損誰(shuí)來(lái)接替。

肢體的每個(gè)模塊收到信號(hào)后，會(huì)發(fā)出回復(fù)消息來(lái)證實(shí)自己的存在。一旦有肢體模塊受損失效（即“死亡”），其他健全模塊會(huì)接受到誰(shuí)是“繼承人”的“遺囑”。這樣，根據(jù)這一神經(jīng)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，在等待一定時(shí)間后，肢體的“死亡”就會(huì)被感知和處理。這是這個(gè)系統(tǒng)的修復(fù)機(jī)制。

a每個(gè)獨(dú)立機(jī)器人單元檢測(cè)到刺激源產(chǎn)生反應(yīng)；b兩個(gè)獨(dú)立的融合機(jī)器人對(duì)刺激源產(chǎn)生反應(yīng)；c兩個(gè)融合整體開(kāi)始遠(yuǎn)離刺激源；d兩個(gè)整體開(kāi)始合并為一個(gè)融合整體；e形成的一個(gè)大整體檢測(cè)到刺激源；f形成的大整體足夠靠近后遠(yuǎn)離刺激源

那么，如果大腦壞了呢？別擔(dān)心，系統(tǒng)中的大腦和四肢并不是固定不變的。

在這個(gè)系統(tǒng)中，無(wú)論是主導(dǎo)控制的大腦模塊或充當(dāng)四肢的其他模塊，都可以相互轉(zhuǎn)換。所以當(dāng)任意一個(gè)模塊失效后，失效模塊將被替換，新的架構(gòu)馬上形成，使得其他部分重新工作。所以，電影里面那些打掉一個(gè)腦袋再長(zhǎng)出一個(gè)腦袋的畫面，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)完全不是特效。

另外，機(jī)器人的每次合并和拆分都伴隨著系統(tǒng)內(nèi)部變化信息的及時(shí)更新，而且整個(gè)過(guò)程并不會(huì)太耗時(shí)。

等級(jí)制度

這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)還有一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的地方，那就是系統(tǒng)內(nèi)部建立了等級(jí)森嚴(yán)的“階級(jí)制度”，這也是整個(gè)可融合神級(jí)系統(tǒng)得以運(yùn)行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)中的每一個(gè)模塊雖然在功能和外形上并無(wú)差距，但實(shí)際上它們之間的關(guān)系其實(shí)呈樹(shù)形：處于樹(shù)形圖上游的模塊會(huì)被優(yōu)先識(shí)別并用作大腦，而當(dāng)某一模塊失效時(shí)，其他模塊也將按照順序來(lái)頂替它。

在此前的相關(guān)自主模塊化機(jī)器人研究中，每個(gè)模塊是通過(guò)分布式控制部署的，也就是說(shuō)當(dāng)每個(gè)模塊有自己的“大腦”，在這些機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)整體功能時(shí)就不得不通過(guò)通訊來(lái)達(dá)成協(xié)作。這就導(dǎo)致我們需要額外使用一個(gè)外部的控制器來(lái)協(xié)調(diào)整體動(dòng)作，然后每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行自己的任務(wù)。

而本次研究中的機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)模塊融合后，整個(gè)控制架構(gòu)可以根據(jù)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，把各個(gè)模塊簡(jiǎn)化為處于上游的中心大腦和處于下游的四肢，能夠靈活操縱整支隊(duì)伍實(shí)現(xiàn)任意動(dòng)作，而不必考慮將動(dòng)作在每個(gè)模塊預(yù)設(shè)協(xié)調(diào)。

融合后的個(gè)體僅保留一套大腦-四肢神經(jīng)系統(tǒng)。除“大腦”之外，其他模塊僅知道它的下游模塊的存在。

如上圖所示，最遠(yuǎn)端的模塊僅知道自己的存在。它的上一級(jí)會(huì)知道“掌握”其所有下級(jí)模塊的存在，直到最上游的控制中心能夠了解所有模塊。當(dāng)兩個(gè)融合個(gè)體再次融合為一個(gè)大型整體時(shí)，主動(dòng)融合方將控制權(quán)交給吸收方，同時(shí)變?yōu)檫B接處的下游模塊。因此，圖中接受連接的B模塊接管了新融合來(lái)所有模塊。而在融合后，新大腦會(huì)將整個(gè)新機(jī)器人的模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更新。

這種自上而下自適應(yīng)的中心化控制，允許機(jī)器人模塊形成更大數(shù)量規(guī)模的聯(lián)接，并通過(guò)增添模塊支持新功能。舉個(gè)不那么恰當(dāng)?shù)睦樱@就好像傳銷組織的上線間接遙控多級(jí)下線實(shí)現(xiàn)龐大管理規(guī)模，節(jié)約了大量精力。

以上這些智能特性，使得該系統(tǒng)形成的整體猶如一個(gè)高效的軍隊(duì)，當(dāng)“司令部”失去了聯(lián)系，其他“部隊(duì)”成員會(huì)立刻重新建立新的組織架構(gòu)，確立新“司令部”，保證整體功能的正常執(zhí)行。

而這一自上而下中心化控制，且每一模塊都有控制潛力的特性，目前就連神奇的大自然也尚未有有機(jī)體能夠?qū)崿F(xiàn)。

它們能做什么？

所以，現(xiàn)在展現(xiàn)在你面前的就是這樣一支機(jī)器人部隊(duì)：無(wú)論任意一個(gè)模塊發(fā)生故障，其他模塊都能自動(dòng)替補(bǔ)，恢復(fù)功能。當(dāng)控制中樞的大腦出故障時(shí)，肢體的每一部分也能夠重新確立新的中心大腦，拋棄失效器官，保證剩余正常模塊繼續(xù)運(yùn)行。

那么，當(dāng)機(jī)器人像百足之蟲(chóng)，戰(zhàn)斗至最后一“模塊”，會(huì)不會(huì)很可怕？聯(lián)想起前段時(shí)間馬斯克和人工智能專家呼吁聯(lián)合國(guó)禁止智能化武器，這個(gè)設(shè)計(jì)可能會(huì)讓人覺(jué)得毛骨悚然。

先別急著想象那么嚇人的事情，這并不是作者的研究動(dòng)機(jī)，在論文中，作者表示，未來(lái)的機(jī)器人將不會(huì)為某一特定任務(wù)而設(shè)計(jì)，我們將設(shè)計(jì)組合式機(jī)器人模塊，讓機(jī)器人功能更為靈活，并具有自適應(yīng)能力，根據(jù)任務(wù)要求改變其功能、外觀和大小。

當(dāng)然，這個(gè)系統(tǒng)也并沒(méi)有十全十美。目前研究存在的主要局限是，研究人員仍需要對(duì)全部機(jī)器人模塊進(jìn)行編程，只有這樣才能保證這些模塊能夠正確地合并并拆分。而團(tuán)隊(duì)下一步要做的就是讓每個(gè)模塊能夠自主學(xué)習(xí)，他們還計(jì)劃將“可融合神經(jīng)系統(tǒng)”的概念擴(kuò)展到可重新配置的模塊化機(jī)器人，使其具備更高的可擴(kuò)展性。笏（摘自“深科技”公眾號(hào)）（編輯/華生）

傳感信息和運(yùn)動(dòng)命令的傳遞接收。前者的傳遞是從肢體到大腦，后者的傳遞則是從大腦到肢體