主要观点总结
本文介绍了一项发表在《Science》上的研究，美国加州大学圣塔芭芭拉分校和德国德累斯顿工业大学的研究人员合作，成功开发出一种能模拟生命系统的机器人集群。这种类材料的机器人集群能在固态和液态之间转换形态，具有时空控制强度和形状的能力。这项突破性成果解决了机器人材料领域的长期难题。该研究的灵感来源于胚胎组织的物理特性研究，并将关键的生物学原理转化为机器人技术。机器人集群展示了多种前所未有的能力，如结构形成、自我修复、物体操纵和自适应支撑等。这项研究为机器人学和材料科学等领域提供了新的视角和实验平台。
关键观点总结
关键观点1: 研究背景
近年来，科学家一直努力探索将科幻作品中的可编程物质或机器人材料变为现实的可能性。
关键观点2: 重要成果
研究团队成功开发出一种能模拟生命系统的机器人集群，能够在固态和液态之间转换形态，具有时空控制强度和形状的能力。
关键观点3: 研究过程
该研究受到胚胎组织物理特性研究的启发，将生物学原理转化为机器人技术。研究人员通过模拟细胞的行为，将关键过程编码为机器人集群，实现了机器人单元的相互作用。
关键观点4: 机器人集群的特点
机器人集群展示了多种前所未有的能力，包括结构形成、自我修复、物体操纵和自适应支撑等。这些能力使得机器人集群在结构材料、生物医学工程等领域具有广泛的应用潜力。
关键观点5: 研究的未来展望
该研究为机器人学和材料科学等领域提供了新的视角和实验平台。未来，通过结合机器学习和更多研究，这些机器人集群有望解锁更复杂的智能行为，并在各个领域发挥更大的作用。
正文
为了将这些生物学原理转化为机器人技术，研究人员在每个机器人单元中融入了控制细胞间相互作用的关键过程：波动的单元间切向力、极性和粘附。
图丨将关键的细胞行为编码为机器人集群（来源：
Science
）
每个机器人单元看起来像小型曲棍球冰球，直径约 5 厘米。研究人员在每个单元的周边安装了八个电动齿轮，每个齿轮只有一小部分齿暴露在外。当两个单元接触时，这些齿轮的相对运动会产生切向力，类似于细胞连接处的张力，这些力的大小和波动特性都可以独立调节。
如研究人员此前所观察到的，活胚胎中细胞产生的力的波动对于将固态组织转变为流态至关重要。基于这一发现，他们在机器人单元中编码了力的波动特性，使其能够模拟生物组织的这一关键特性。
为了模拟细胞对生化信号的响应，研究人员在每个机器人单元上安装了带偏振滤镜的光传感器。当光照射到这些传感器上时，光的偏振方向会告诉机器人单元应该向哪个方向旋转其齿轮，从而改变形状。
这种设计使得研究人员能够通过恒定的光场一次性指导所有单元朝特定方向排列，协调完成各种需要的任务。
至于细胞间的粘附，研究人员在机器人单元的周边嵌入了可旋转的磁铁，这些磁铁能使机器人单元相互吸引，形成凝聚力。
他们首先测试了最小的机器人构建模块，包括由四个极化的单元构建块组成的“4-block”和由具有随机极化的最小三单元构建块组成的“3-block”。通过控制单元间的平均切向力和力波动幅度，他们能够控制这些基本构建模块的形状变化和强度特性。
有意思的是，研究人员发现引入力波动可以显著降低单元重排所需的平均功率，这对于设计可能需要在有限功率预算下运行的机器人来说是一个重要发现。
图丨重新排列使机器人集体的基本“构件”的形状和强度发生变化（来源：
Science
）
当扩展到更大规模的机器人集群（实验中约 20 个单元，模拟中约 400 个单元）时，研究人员观察到当机器人集群极化，单元间的力对齐时，集群会沿着指定的轴向延伸，类似于活组织中的“收敛延伸”（convergent extension）过程。如果在延伸过程中改变偏振方向，集群会动态调整并沿新方向延伸。
此外，通过在空间上控制单元间力，可以只驱动集群特定部分的延伸，同时保持其余部分不动。研究人员还发现，单元重排的数量和速率强烈依赖于力的波动幅度，这有助于集群的延伸。
图丨从基本构件到机器人集体：将形状和强度控制扩展到多单元集体（来源：
Science
）
凭借这种独特的控制机制，该机器人集群展现了多种前所未有的能力。
