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)器人部隊來了

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。通過模塊化設(shè)計，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、西班牙和瑞士研究人員組成的多國科研團(tuán)隊展示了一種基于“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？堪比孫悟空的萬能毫毛。這個機(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”

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

表面上看，這些機(jī)器人模塊并沒有什么特殊的地方：當(dāng)機(jī)器人模塊未經(jīng)連接時，每一模塊都有一個中心大腦，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：整個機(jī)器人系統(tǒng)會選擇一個模塊作為中心大腦（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)家們還開發(fā)了一個“心跳”通訊協(xié)議，這個協(xié)議正是用來感受機(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，會定期發(fā)出類似于心跳頻率的信號，信號的內(nèi)容包括通知肢體模塊多久“跳”一次，以及萬一有模塊受損誰來接替。

肢體的每個模塊收到信號后，會發(fā)出回復(fù)消息來證實自己的存在。一旦有肢體模塊受損失效（即“死亡”），其他健全模塊會接受到誰是“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)，在等待一定時間后，肢體的“死亡”就會被感知和處理。這是這個系統(tǒng)的修復(fù)機(jī)制。

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。

在這個系統(tǒng)中，無論是主導(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腦袋再長出一個腦袋的畫面，對這個系統(tǒng)來說完全不是特效。

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

等級制度

這個機(jī)器人系統(tǒng)還有一個設(shè)計巧妙的地方，那就是系統(tǒng)內(nèi)部建立了等級森嚴(yán)的“階級制度”，這也是整個可融合神級系統(tǒng)得以運(yùn)行的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)中的每一個模塊雖然在功能和外形上并無差距，但實際上它們之間的關(guān)系其實呈樹形：處于樹形圖上游的模塊會被優(yōu)先識別并用作大腦，而當(dāng)某一模塊失效時，其他模塊也將按照順序來頂替它。

在此前的相關(guān)自主模塊化機(jī)器人研究中，每個模塊是通過分布式控制部署的，也就是說當(dāng)每個模塊有自己的“大腦”，在這些機(jī)器人要實現(xiàn)整體功能時就不得不通過通訊來達(dá)成協(xié)作。這就導(dǎo)致我們需要額外使用一個外部的控制器來協(xié)調(diào)整體動作，然后每個模塊獨(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，整個控制架構(gòu)可以根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)，把各個模塊簡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伍實現(xiàn)任意動作，而不必考慮將動作在每個模塊預(yù)設(shè)協(xié)調(diào)。

融合后的個體僅保留一套大腦-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。它的上一級會知道“掌握”其所有下級模塊的存在，直到最上游的控制中心能夠了解所有模塊。當(dāng)兩個融合個體再次融合為一個大型整體時，主動融合方將控制權(quán)交給吸收方，同時變?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所有模塊。而在融合后，新大腦會將整個新機(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，并通過增添模塊支持新功能。舉個不那么恰當(dāng)?shù)睦樱@就好像傳銷組織的上線間接遙控多級下線實現(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高效的軍隊，當(dāng)“司令部”失去了聯(lián)系，其他“部隊”成員會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：無論任意一個模塊發(fā)生故障，其他模塊都能自動替補(bǔ)，恢復(fù)功能。當(dāng)控制中樞的大腦出故障時，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，戰(zhàn)斗至最后一“模塊”，會不會很可怕？聯(lián)想起前段時間馬斯克和人工智能專家呼吁聯(lián)合國禁止智能化武器，這個設(shè)計可能會讓人覺得毛骨悚然。

先別急著想象那么嚇人的事情，這并不是作者的研究動機(jī)，在論文中，作者表示，未來的機(jī)器人將不會為某一特定任務(wù)而設(shè)計，我們將設(shè)計組合式機(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，這個系統(tǒng)也并沒有十全十美。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)隊下一步要做的就是讓每個模塊能夠自主學(xué)習(xí)，他們還計劃將“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。

（摘自“深科技”公眾號）（編輯/華生）