李曙光 讓粒子機器人登上Nature封面

賀濤

在傷口愈合和癌細胞擴散過程中，會出現(xiàn)細胞集體遷移現(xiàn)象——細胞“大軍”目標(biāo)明確地向指定地點集結(jié)。但到目前為止，生物學(xué)家對這一重要現(xiàn)象還有不少困惑，如每個細胞參與有序集體運動的機制，特別是細胞使用何種信息來確定集體細胞運動的方向等。

一項最新的研究進展，也許會幫助解決上述困擾。近日，英國Nature雜志封面發(fā)表重大工程學(xué)突破——仿生物細胞群體機器人問世。

這種機器人能夠模擬生物細胞集體遷移，實現(xiàn)移動、搬運物體及向光刺激移動。該研究為開發(fā)具有預(yù)先確定性行為的大規(guī)模群體機器人系統(tǒng)提供了全新途徑，且比傳統(tǒng)機器人和仿生系統(tǒng)具有更高的可擴展性。

這項工作由來自麻省理工學(xué)院（MIT）、哥倫比亞大學(xué)、康奈爾大學(xué)和哈佛大學(xué)等多所高校的研究人員合作完成。該論文第一作者為中國科學(xué)家李曙光，他目前在MIT計算機科學(xué)和人工智能實驗室做博士后。

針對粒子機器人的創(chuàng)新性、獨特優(yōu)勢、未來應(yīng)用和進一步研究等議題，李曙光在此次專訪中予以解讀。

極端設(shè)計逼出創(chuàng)新

在一段實驗Demo中，一小群粒子機器人表現(xiàn)得很聰明：實驗場里有兩盞燈，粒子機器人聚在中間；打開左邊的燈，它們就往左邊走；把左邊燈關(guān)掉，打開右邊的燈，機器人又組隊往右邊去；把兩盞燈都打開，它們就朝著中間的方向走。

實驗中，研究者只是發(fā)出一個“開始”指令，過程中完全不加控制，粒子機器人總能奔著光去。

“粒子機器人，是研究團隊創(chuàng)造的一個新詞匯。”李曙光說。

從外觀看，單個“粒子”呈簡潔的圓盤狀，內(nèi)置電池、通信模塊、小電機，以及獨特設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)。單個“粒子”無法移動，只能像相機光圈那樣伸縮。在收縮狀態(tài)下，直徑約15厘米；在擴張狀態(tài)下，直徑約23厘米。

傳達指令有兩種方式：一是粒子機器人自帶的USB接口；二是每個粒子機器人都裝有無線模塊，研究者可以遠程寫入程序，然后機器人群體就按照指令去做。當(dāng)把三個“粒子”放在一起，“粒子”在接受指令伸縮時，就會與“鄰居”互動，你推我拽，三個“小伙伴”就可以沿直線行走。

加入更多的“粒子”，就能干更復(fù)雜的事情。一群“粒子”組成的機器人，可以在光線的引導(dǎo)下，四處移動、運送物體，以及躲避障礙物。

曾有不少人問李曙光，為什么不讓單個“粒子”跑起來？他回答說，“如果讓它跑起來，那就跟99%的研究完全一樣了。”原來，“粒子”機器人的最大亮點正來自于設(shè)置了一個極端的運行條件——單個“粒子”不能動，想動，必須靠其他“小伙伴”協(xié)同。

蜂群機器人或稱集群機器人，是一個熱門研究領(lǐng)域。絕大多數(shù)的集群機器人的單體都是可以移動的，或是振動式，或是輪式。這些研究更側(cè)重于機器人之間的信息協(xié)同，聚焦于機器人如何通訊，如何協(xié)調(diào)，主要工作屬于算法層面的。

粒子機器人系統(tǒng)的獨特之處，在于除了信息交換，還有力學(xué)協(xié)同，即通過粒子之間“你推我，我拉你”來實現(xiàn)。

李曙光表示，粒子機器人互相之間的“你追我趕”是更獨特的研究，結(jié)合了信息和力學(xué)兩方面的智能。

論文的合作者中，有兩位是李曙光的導(dǎo)師（MIT的Daniela Rus教授和哥倫比亞大學(xué)的Hod Lipson教授）。他們的研究方向都涵蓋模塊化機器人，這是一個研究多年的小領(lǐng)域。

李曙光渴望研究些新東西，就找導(dǎo)師溝通，想要打破模塊機器人的傳統(tǒng)概念——個體不再是簡單的模塊，而是與生物和物理學(xué)相結(jié)合，提出基本“粒子”的概念，基本粒子可以組合成各式各樣的智能機器。

在算法和控制上，研究團隊借鑒了細胞生物學(xué)的一些研究結(jié)論，然后用機器人實現(xiàn)了這一過程。

相比復(fù)雜的機器人，粒子機器人的制造更簡單，也易于形成規(guī)模。

容錯性與可擴展性俱佳

對于粒子機器人，德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的科學(xué)家Metin Sitti評價認為：這種全新機器人具有傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)所沒有的魯棒性和可擴展控制。該研究為開發(fā)具有預(yù)先確定性行為的大規(guī)模機器人系統(tǒng)提供了一種替代方法。

所謂魯棒性，代表系統(tǒng)的容忍性或容錯性，是一種抗干擾能力的參數(shù)，也是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。

在傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)中，單個部件的缺失或損壞，有時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。而根據(jù)模擬預(yù)測，粒子機器人在20%的“粒子”失效的情況下，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運動，不影響全局的任務(wù)。

李曙光表示：“20%在工程系統(tǒng)里是非常高的數(shù)字?！?/p>

而在可擴展性方面，粒子機器人也表現(xiàn)出值得樂觀的結(jié)果。先來看傳統(tǒng)的模塊化機器人，它是由標(biāo)準(zhǔn)的相互獨立的制造模塊組成，每個模塊有驅(qū)動部分、動力源等。

實際上，模塊化機器人也可以模擬部分生物學(xué)行為，如自組裝、修復(fù)和搬運，但大部分系統(tǒng)需要集中控制，或在設(shè)計上過于復(fù)雜，這就限制了系統(tǒng)的能力和可擴展性。

粒子機器人有一個好玩的實驗，就是往一群正在工作的機器人中，增派部分機器人，結(jié)果像往盆里加水一樣，集群里的機器人能迅速組織起有效率的運動。

新加入的這部分機器人，并沒有讓整個集群的協(xié)調(diào)難度增加，直接放進去就行，研究者不用改變信號端或者做任何指令調(diào)整。理論上，參與工作的個體越多，集群正常工作的幾率就會越高。

目前的實驗中，研究團隊使用25至30個“粒子”組團，高效而流暢。李曙光分析稱，現(xiàn)在的實物實驗系統(tǒng)能到50個“粒子”，但效率會降低，群體運動速度會變慢。

這是因為，眾多“粒子”擠在一起時，效率降低了，而且當(dāng)個體之間挨得太近時，對于光源信號的分辨差別不大，可能會同時展開，浪費了能量。

但李曙光透露，未來的改進版，數(shù)量不是一個特別受限的問題。根據(jù)模擬仿真顯示，10萬個“粒子”機器人的協(xié)作都沒問題。仿真計算機程序是基于實物實驗的數(shù)據(jù)做過矯正的，可以很準(zhǔn)確地預(yù)測機器人的運動和行為。

“我覺得數(shù)量再多一些也沒問題?！崩钍锕夥治龇Q，10萬個“粒子”之間的碰撞，其力學(xué)計算非常復(fù)雜，運算量非常大，需要性能很好的計算機來模擬。

從理論上看，粒子機器人可能不會有數(shù)量限制。這是因為，粒子機器人之間沒有一對一的通信，給群體下達指令，信息是廣播式地群發(fā)。每個“粒子”都是一樣的，沒有地址、沒有ID，可以有無限多個。

此外，目前所使用的信號源是外部光源，也可以換成熱、磁場等其他信號源，只要把“粒子”上的傳感器換成相應(yīng)的即可。這在技術(shù)上沒有任何難度。

可能率先應(yīng)用的領(lǐng)域

在交流中，李曙光多次強調(diào)“啟發(fā)”一詞。

最初粒子機器人概念的提出，就是受到生物系統(tǒng)的啟發(fā)；此外，還受到統(tǒng)計物理現(xiàn)象的驅(qū)動，從而可以對大量隨機組件的全局統(tǒng)計行為進行建模和控制，而無需跟蹤每個組件。

“粒子”的結(jié)構(gòu)，更是直接受到一種知名玩具的啟發(fā)。

這篇論文的作者之一Chuck Hoberman是一位知名的設(shè)計師，小到玩具，大到體育場館，他都有經(jīng)典的作品。他曾用超過15年的時間，創(chuàng)造出一個個會變形的玩具，風(fēng)靡了整個20世紀(jì)90年代。比如變色球（Switch Pitch），扔起來是一個顏色，落下時就變成另一個顏色。他還擅長大型建筑頂棚的變形設(shè)計，2002年美國鹽湖城冬奧會場館、2019年超級碗決賽的場館中，都有他的設(shè)計手筆。

“粒子”的結(jié)構(gòu)，正出自Chuck最拿手的折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計，就像一個二維的環(huán)，擠壓它，就變成一個小圓盤；拉扯它，就變成一個很大的圓。

對于該項研究的意義，李曙光認為是“提供了一種新的思考方式”。對從事新材料或微納米系統(tǒng)研究的科學(xué)家，可以啟發(fā)他們做一些新嘗試；生物科學(xué)家可以用粒子機器人驗證一些設(shè)想。

比如，細胞集體遷移是一個很熱門的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。人體中有很多細胞不能移動，或者說運動效率較差。但當(dāng)多個細胞聚在一起時，可能實現(xiàn)非常高效的運動，像傷口愈合、癌癥擴散等。

生物學(xué)家對此有很多猜想，推測細胞為什么會這樣動。細胞很難控制和測量，但粒子機器人的控制和測量就容易多了，因此該系統(tǒng)可以給細胞集體遷移的相關(guān)研究，提供一個驗證的平臺。

德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所科學(xué)家認為，將來，若是該粒子機器人系統(tǒng)的大小能夠達到微米級別，那么將在醫(yī)療等眾多領(lǐng)域帶來深遠影響和重大突破。

在李曙光看來，物流機器人可能是粒子機器人最快獲得應(yīng)用的領(lǐng)域，大群體的機器人控制技術(shù)、算法和理念都可以被應(yīng)用。這將會和商業(yè)領(lǐng)域快速結(jié)合。

研究的下半場

李曙光之所以投身機器人研究，是一個從興趣愛好變成專業(yè)研究者的故事。他念初中時，就喜歡研究航模和機器人。2000年，高考擇校時跟隨了興趣，李曙光選擇國內(nèi)航空航天領(lǐng)域的強校——西北工業(yè)大學(xué)，專業(yè)是學(xué)習(xí)飛行器制造。

大學(xué)二年級時，全國高校開始興起機器人競賽，李曙光一下就著了迷，組織幾個志同道合的同學(xué)，向?qū)W院申請組隊，后來還吸引了一些研究生加入。2002至2006年期間，李曙光和隊友們拿過幾次全國冠軍等獎項。他的隊長一職，也直到碩士畢業(yè)前才卸任。

未來，興趣依然會驅(qū)動李曙光將研究持續(xù)下去，主要有幾個方面：

首先，現(xiàn)在“粒子”主要是在二維平面上運動，將來，“三維版本是一定要做的”，在立體空間，讓“粒子”組成各種各樣的形狀，還能運動。李曙光坦承，這一挑戰(zhàn)比較大，三維“粒子”的自重是個大問題。

其次，要把粒子做得更小，體積要到厘米級別以下?，F(xiàn)在“粒子”還比較大，往極限里說，單個“粒子”做到兩三厘米沒有問題；但更小的、毫米級的，目前的設(shè)計并不適用。

如果“粒子”能做成非常小的顆粒，然后通過外部信號來協(xié)調(diào)它們運動，是完全可能在醫(yī)療和新材料領(lǐng)域獲得應(yīng)用的。

李曙光強調(diào)，粒子機器人的概念、算法、以及初步驗證的結(jié)果都支持更小的“粒子”。目前，“粒子”的個頭主要受到材料和制造工藝的限制，“對我們是限制，但是對搞材料和微納系統(tǒng)的科學(xué)家可能并不是限制”。

此外，要提高機器人的協(xié)作效率?，F(xiàn)在“粒子”的大小，決定了如果擺放特別密集的話，會出現(xiàn)相鄰兩排“粒子”互相亂推的情況，影響效率。如果實現(xiàn)更完美的協(xié)調(diào)，就可以避免“你推我，我也推你”的情況。

進一步改進和提高系統(tǒng)的魯棒性，依然還有空間。比如，超過30%～50%的機器人不工作了，系統(tǒng)還能完成任務(wù)。

李曙光總結(jié)稱，總體目標(biāo)是把粒子機器人做得更好，擴展性更強。