能更换坏死“组织”并转移“大脑”，“神经系统”最复杂的机器人部队来了！

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虽然目前的机器人在很多方面比不上人类，但是，在可扩展性上，机器人可谓完虐身为碳基生物的我们。通过模块化设计，机器人能够合并、分解模块，改变自己的功能、外形、体积，从而胜任不同类型的任务。

近日，由比利时、西班牙和瑞士研究人员组成的多国科研团队展示了一种基于“可融合机器人神经系统”（Mergeable Nervous System）的高度灵活的模块机器人。研究成果发表在近期的《自然·通讯》杂志（Nature Communications）上。

有多灵活呢？堪比孙悟空的万能毫毛。这个机器人系统不但可以根据环境“72变”，还能够实现“自我修复”和“大脑转移”，从而达到目前的机器人系统所不具备的高效控制效果！

这些神奇功能的实现都依赖于上面提到的可融合神经系统，而这种神经系统的复杂程度在模块机器人中也是前所未有的。

“自我修复”和“大脑转移”

实验中涉及的机器人模块，由瑞士洛桑联邦理工学院参与开发的组合集群机器人 marXbot 担当：每个 marXbot 机器人都配有全景摄像头、红外传感器等，使用 Wifi、蓝牙实现通讯，通过 ARM 处理器实现运算能力，并支持机器人模块间通过特殊的硬件装置进行连接。

表面上看，这些机器人模块并没有什么特殊的地方：当机器人模块未经连接时，每一模块都有一个中心大脑，各自独立工作。

而当模块连接融合后，神奇的事情发生了——新的神经系统诞生：整个机器人系统会选择一个模块作为中心大脑（选择的机制在下文），并将其他模块仅当做“四肢”。中心大脑负责发出合并拆分命令，四肢则充当执行器和感受器，负责搜集信息。

图丨研究人员设置了一个有故障的机器人模块。这种情况下，包含故障模块的部分与系统分离，并在随后加入两个新的模块以恢复原状

有了大脑和四肢，自然也少不了“心跳”。在上述功能的背后，科学家们还开发了一个“心跳”通讯协议，这个协议正是用来感受机器人集合体中的“生命迹象”的。

在集合体中充当大脑的模块，会定期发出类似于心跳频率的信号，信号的内容包括通知肢体模块多久“跳”一次，以及万一有模块受损谁来接替。

肢体的每个模块收到信号后，会发出回复消息来证实自己的存在。一旦有肢体模块受损失效（即“死亡”），其他健全模块会接受到谁是“继承人”的“遗嘱”。这样，根据这一神经系统的几何结构，在等待一定时间后，肢体的“死亡”就会被感知和处理。这是这个系统的修复机制。

图丨机器人的参数

那么，如果大脑坏了呢？别担心，系统中的大脑和四肢并不是固定不变的。

在这个系统中，无论是主导控制的大脑模块或充当四肢的其他模块，都可以相互转换。所以当任意一个模块失效后，失效模块将被替换，新的架构马上形成，使得其他部分重新工作。所以，电影里面那些打掉一个脑袋再长出一个脑袋的画面，对这个系统来说完全不是特效。

另外，机器人的每次合并和拆分都伴随着系统内部变化信息的及时更新，而且整个过程并不会太耗时。

图丨机器人模块之间可以形成有一个“大脑”和多个“四肢”组成的任意整体组合。上图展示了模块结合形成不同形态的整体，并逆向解散恢复为独立模块的过程

等级制度

这个机器人系统还有一个设计巧妙的地方，那就是系统内部建立了等级森严的“阶级制度”，这也是整个可融合神级系统得以运行的基础。

系统中的每一个模块虽然在功能和外形上并无差距，但实际上它们之间的关系其实呈树形：处于树形图上游的模块会被优先识别并用作大脑，而当某一模块失效时，其他模块也将按照顺序来顶替它。

图丨a 每个独立机器人单元检测到刺激源产生反应；b 两个独立的融合机器人对刺激源产生反应；c 两个融合整体开始远离刺激源；d 两个整体开始合并为一个融合整体；e 形成的一个大整体检测到刺激源；f 形成的大整体足够靠近后远离刺激源

在此前的相关自主模块化机器人研究中，每个模块是通过分布式控制部署的，也就是说当每个模块有自己的“大脑”，在这些机器人要实现整体功能时就不得不通过通讯来达成协作。这就导致我们需要额外使用一个外部的控制器来协调整体动作，然后每个模块独立运行自己的任务。

而本次研究中的机器人神经系统模块融合后，整个控制架构可以根据树形结构，把各个模块简化为处于上游的中心大脑和处于下游的四肢，能够灵活操纵整支队伍实现任意动作，而不必考虑将动作在每个模块预设协调。

融合后的个体仅保留一套大脑-四肢神经系统。除“大脑”之外，其它模块仅知道它的下游模块的存在。

如下图所示，最远端的模块仅知道自己的存在。它的上一级会知道"掌握"其所有下级模块的存在，直到最上游的控制中心能够了解所有模块。

当两个融合个体再次融合为一个大型整体时，主动融合方将控制权交给吸收方，同时变为连接处的下游模块。

因此，图中接受连接的 B 模块接管了新融合来所有模块。而在融合后，新大脑会将整个新机器人的模块拓扑结构更新。

这种自上而下自适应的中心化控制，允许机器人模块形成更大数量规模的联接，并通过增添模块支持新功能。举个不那么恰当的例子，这就好像传销组织的上线间接遥控多级下线实现庞大管理规模，节约了大量精力。

以上这些智能特性，使得该系统形成的整体犹如一个高效的军队，当“司令部”失去了联系，其他“部队”成员会立刻重新建立新的组织架构，确立新“司令部”，保证整体功能的正常执行。

而这一自上而下中心化控制，且每一模块都有控制潜力的特性，目前就连神奇的大自然也尚未有有机体能够实现。

图丨传感信息和运动命令的传递接收。前者的传递是从肢体到大脑，后者的传递则是从大脑到肢体

它们能做什么？

所以，现在展现在你面前的就是这样一支机器人部队：无论任意一个模块发生故障，其他模块都能自动替补，恢复功能。当控制中枢的大脑出故障时，肢体的每一部分也能够重新确立新的中心大脑，抛弃失效器官，保证剩余正常模块继续运行。

那么，当机器人像百足之虫，战斗至最后一“模块”，会不会很可怕？联想起前段时间马斯克和AI专家呼吁联合国禁止智能化武器，这个设计可能会让人觉得毛骨悚然。

先别急着想象那么吓人的事情，这并不是作者的研究动机，在论文中，作者表示，未来的机器人将不会为某一特定任务而设计，我们将设计组合式机器人模块，让机器人功能更为灵活，并具有自适应能力，根据任务要求改变其功能、外观和大小。

当然，这个系统也并没有十全十美。目前研究存在的主要局限是，研究人员仍需要对全部机器人模块进行编程，只有这样才能保证这些模块能够正确地合并并拆分。而团队下一步要做的就是让每个模块能够自主学习，他们还计划将“可融合神经系统”的概念扩展到可重新配置的模块化机器人，使其具备更高的可扩展性。

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校审：黄珊

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