看这1000个机器人如何实现自我组合排列

AS网站目录讯8月16日报道看到1000个机器人在非人为操作的情况下有序移动时， 确实令人感到不可思议。据Science杂志上发表的一项新研究显示，研究人员已经能实现这一设想：在不需要人工控制或中央控制系统的情况下，1000个机器人组成的这一集群能自我排列组合成各种复杂的形状

AS网站目录讯8月16日报道

看到1000个机器人在非人为操作的情况下有序移动时， 确实令人感到不可思议。据Science杂志上发表的一项新研究显示，研究人员已经能实现这一设想：在不需要人工控制或中央控制系统的情况下，1000个机器人组成的这一集群能自我排列组合成各种复杂的形状。

我们在自然界中也能看到一些此类现象――― 从无序分子形成规则晶体、细胞形成组织，到蚂蚁用身体筑筏浮于水面、鸟群队列飞行以避免成为猎物等。这些现象呈现出的复杂表现形式都是通过数以千计，百万计甚至亿万计有局限性和不稳定的单个元素或个体之间的互动来完成的。

这类自我组织系统具有一些有趣的特性。首先，它们是分散的 - 也就是说，它们不需要一个中央大脑或领导者。其次，他们是可扩展的 - 这样你就可以叠加大量的个体。第三，他们很稳健——不稳定的个体也不会破坏整个系统。

通过自然界自我组织现象的启发，哈佛大学研究人员Radhika Nagpal, Michael Rubenstein 和Alex Cornejo研制出一个由1024个机器人组成的集群。这个千人机器群组可形成复杂的二维图像，包括星星、扳手和字母“K”。

这一现象特殊的地方在于：在此千人机器群组出现之前，大多机器集群的组成个数不超过100个。

在设计千人机器集群时，第一个挑战是如何建立一个成本可承受、易于使用的大型机器人集群。这需要彻底重新思考如何设计机器人。要实现这一目的主要约束是机器人功能的有限性。

研究人员创造了一个硬币大小的机器人，通过使用两个振动电机使机器人依靠由三根棍组成的腿移动。它使用红外光与周边的机器人交流，通过改变LED的颜色和根据环境光的变化传感来显示状态。

没有类似GPS的系统让他们感知在环境中的位置。相反，机器人必须形成虚拟坐标系统，与周边机器人交流并测量相互间的距离。

想象一下，启动1024个机械人“开始”或“关闭”按钮需要多庞大的工作量，因此对单个机器人的手动操作必须降到最小化。此外，在实验中，这些机器人还必须能方便充电和重新编程。充电是通过所有机器人夹持在两个传导面之间启动。重新编程是通过总控制器进行无线连接，发送运行信息给所有实验中的机器人。

当机器人设计好之后，Nagpal团队开发出一种算法。该算法能够保证大量的机器人具有有限功能和本地通信特性，可以协同组成用户指定的形状。

首先，研究人员将所有的机器人没有规则的放在一起并给出指定需要的形状。然后，研究人员将增加四个专门编程的种子机器人放置在各个边缘以标记位置和方向。以种子机器人发出的信息为参照，其它机器人可以估算出与种子机器人之间的距离和各自的相对坐标。接着，从种子机器人开始，在边缘机器人沿着边缘移动，相邻的各层机器人参照前一层依次移动，直到达到所需的位置并形成所需的形状。

该算法必须考虑到处于不稳定状态的机器人被排挤出预期到达的位置或阻碍到其它机器人正常运行的情况。 Nagpal的研究小组通过使机器人依靠相邻的机器人监测故障来克服了这一挑战。此外，这一策略还避免了过度依赖精准定位。

这是今年Nagpal的实验室第二篇机器人集群的论文。此前，他们的研究关注通过蚁群特性研发的机器人在没有任何领导者的情况下形成不同的三维结构。

经过多年的研究，至少在实验室，研究人员终于找到构建大型的机器人集群的临界点，其中包括硬件和算法。借助实验中运用到的工程物理系统，这些机器人集群将有助于我们理解自然的自我组织系统。此外，这些原理使我们向创造人工集群迈出第一步，为我们在未来利用这一原理应用于包括救灾，环境监测，甚至艺术创造等领域作准备。（沙鸥）