在生物系統(tǒng)中，通過隨機(jī)(隨機(jī))移動(dòng)的小規(guī)模組件的集體耦合和協(xié)調(diào)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模行為。例如，活細(xì)胞在傷口愈合期間和癌癥擴(kuò)散時(shí)聚集并遷移。受這些生物機(jī)制的啟發(fā)，在自然界的一篇論文中，Li等人。圖1報(bào)告了一種集體機(jī)器人系統(tǒng)，其中確定性運(yùn)動(dòng)是許多松散耦合的盤形部件的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。結(jié)果表明，隨機(jī)性為開發(fā)具有強(qiáng)大確定性行為的大規(guī)模集體機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種有前途的方法。

在Li及其同事的系統(tǒng)中，盤形組件不能彼此獨(dú)立移動(dòng)，不能單獨(dú)操作。而且，每個(gè)部件只能通過沿其半徑擺動(dòng)，通過伸展和收縮來移動(dòng)。作者將這種簡(jiǎn)約方法稱為“粒子機(jī)器人”。在沒有外部刺激的情況下，系統(tǒng)只能隨機(jī)移動(dòng)。然而，當(dāng)組件被編程為響應(yīng)于變化的環(huán)境信號(hào)調(diào)整其直徑時(shí)，存在朝向信號(hào)源的集體運(yùn)動(dòng)。

李等人。進(jìn)行粒子機(jī)器人系統(tǒng)包含多達(dá)二十幾個(gè)組件的實(shí)驗(yàn)，以及系統(tǒng)中有多達(dá)100,000個(gè)組件的模擬。在振蕩期間，每個(gè)部件的直徑從15.5厘米到23.5厘米不等。作者表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)和物體運(yùn)輸，以及光導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)和避障(圖1)。值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)即使20%的部件發(fā)生故障也可以保持運(yùn)動(dòng)，這突出了粒子機(jī)器人方法對(duì)單個(gè)部件故障的穩(wěn)健性。

以前的研究主要考慮的是可以相互獨(dú)立移動(dòng)的組件，可以單獨(dú)操作，也可以基于相對(duì)復(fù)雜的確定性設(shè)計(jì)2-5。大多數(shù)先前報(bào)道的集體機(jī)器人系統(tǒng)在可允許配置方面具有有限的靈活性，而那些非晶態(tài)的系統(tǒng)通常包含具有有限可擴(kuò)展性的組件。此外，許多這些系統(tǒng)需要某種程度的集中控制，這進(jìn)一步限制了它們的能力和可擴(kuò)展性。

在這方面，李和他的同事的粒子機(jī)器人方法提供了一種有前途的替代方法。除了受到生物系統(tǒng)的啟發(fā)之外，該技術(shù)還受到統(tǒng)計(jì)物理現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)，其中可以對(duì)大量隨機(jī)組件的全局統(tǒng)計(jì)行為進(jìn)行建模和控制，而無需跟蹤每個(gè)組件。因此，該方法相對(duì)于其他方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在擴(kuò)大組件數(shù)量和縮小每個(gè)方法的尺寸時(shí)。這種擴(kuò)展將是集體機(jī)器人系統(tǒng)在勘探，建筑和醫(yī)學(xué)中的許多未來潛在應(yīng)用所必需的。

然而，作者的系統(tǒng)有一些缺點(diǎn)。首先，如果在組件集合的位置處沒有環(huán)境信號(hào)梯度，則系統(tǒng)不能朝向信號(hào)源移動(dòng)。其次，組件需要從手動(dòng)配置的位置開始，因?yàn)樗鼈儾荒塥?dú)立移動(dòng)以相互接合。第三，實(shí)驗(yàn)證明的部件數(shù)量有限，并且相對(duì)較慢且較大;在不久的將來，系統(tǒng)應(yīng)擴(kuò)展到更大，更小(甚至可能低至微米級(jí))的組件。第四，這種技術(shù)不適用于定向自組裝和自組織成復(fù)雜的預(yù)定幾何形狀等任務(wù)，

因?yàn)樵谛∫?guī)模的機(jī)器人的進(jìn)步，能夠設(shè)計(jì)和制造大量隨機(jī)或確定性的組件，這些組件可以表現(xiàn)出集體和蜂擁行為6類似于顆粒機(jī)器人系統(tǒng)。在過去幾年中，通過設(shè)計(jì)各個(gè)單元之間的磁相互作用，產(chǎn)生了具有明確定義的集體行為的移動(dòng)微尺度機(jī)器人群。一般情況下，用于控制這種群的主要策略依賴于遠(yuǎn)程控制的全局字段，諸如磁場(chǎng)的單元的響應(yīng)7，8。雖然很難單獨(dú)和局部地處理每個(gè)單元，但是單元之間的集體耦合交互可以被全局控制，從而導(dǎo)致可編程的本地交互，自組裝和集體行為。該方法已被用于在空氣和水之間的界面9處實(shí)現(xiàn)合成微生物群的集體二維組裝，拆卸和操縱。

Li及其同事的粒子機(jī)器人系統(tǒng)和大多數(shù)其他集體機(jī)器人系統(tǒng)主要在兩個(gè)維度上工作。將這樣的系統(tǒng)擴(kuò)展到三個(gè)維度，組件及其在表面或流體內(nèi)的聚集體的更復(fù)雜的機(jī)車行為將增加它們可能的未來應(yīng)用。然而，三維將為穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)，集合穩(wěn)定性，可逆和可編程的元件連接方法，小型化和控制帶來許多硬件設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

在不久的將來，展示使用其他技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的集體機(jī)器人系統(tǒng)的潛在高影響工程和醫(yī)療應(yīng)用至關(guān)重要。例如，成群的隨機(jī)細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微型游泳運(yùn)動(dòng)員可以使用粒子機(jī)器人方法將藥物輸送到人體內(nèi)的目標(biāo)，難以到達(dá)的區(qū)域。例如，這種群可以通過化學(xué)梯度，氧梯度或癌組織環(huán)境10的pH變化來指導(dǎo)。事實(shí)上，許多研究11，12已經(jīng)表明，集體細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人群在靶向給藥，醫(yī)療診斷和環(huán)境檢測(cè)的應(yīng)用潛力。