崭露头角的机器人建筑工

2015-09-10 07:22李忠东
科学24小时 2015年10期
关键词:砖块白蚁科学家

李忠东

添砖加瓦盖房忙

2014年2月13-17日,美国科学促进会(The American Association for the Advancement of Science,AAAS)在芝加哥举行了2014年年会。期间,美国哈佛大学工程和应用科学学院携手维斯生物工程研究所,向大家展示了一种能够自组织的小型机器人建筑工——“白蚁”(TERMES)。这是由哈佛大学贾斯汀·韦尔弗(Justin Werfel)教授主导的科研项目成果,整个研发过程历时4年之久。

这种机器人建筑工如中型遥控玩具车一般大小,有4个轮子,装有若干探测器和用于举起建筑构件的装置。TERMES依靠红外和超声波传感器的信号引导,能够在无人监督或者指导的情况下,用由轻型泡沫制造的建筑砖,自行建造包括高塔、城堡和金字塔等在内的复杂三维结构。在整个建造过程中,TERMES无需使用任何详细的图纸。此外,它们还会选择合理的行动路线,保证事半功倍。

在演示过程中,科学家让TERMES现场建筑一座城堡,这一过程让在场所有的观众都瞠目结舌。只见它们前后左右移动,到指定位置拿取积木一样的“砖块”,像白蚁建造蚁丘那样在没有总体设计和统一管理的情况下,根据探测到的环境和预设逻辑规则把“砖块”放到某个位置。在已放有“砖块”的地方,TERMES会熟练地爬上一层“砖块”再进行垒放,如此层层叠加。实际上,并没有任何一个程序告诉它们在建造的是什么,对于这些机器人来说,它们只需要像我们遵守交通规则一样按部就班,就能顺利完成任务。即便在建造过程中有任意一位成员出现了故障,也不会影响工程的整体进度。当然,TERMES也不会将自己困在建筑框架内。虽然机器人建筑工的建造进度较慢,但每一位TERMES都能进行自我保护,有效识别危险地带,将工伤发生的可能性降至最低。

虽然TERMES机器人建筑工的个头很小,长度只有15厘米,但它们所表现出来的建筑能力已经给人们留下了深刻印象。

学习白蚁造蚁巢

我们从这种机器人的命名上就不难发现,科学家的灵感来自于白蚁,他们正是从白蚁打造蚁巢中受到了启发。

白蚁是巢居生活的昆虫,蚁巢是它们的大本营。这种昆虫的建造能力非常惊人,是动物世界里的优秀建筑师。有些白蚁巢在地上筑垄高达9米,基部直径可达20~30米,有的巢筑在地下,也有的筑在墙壁里或树木中。数百万只白蚁携手合作,能够“盖起”几十万立方厘米的白蚁巢。

令科学家赞叹不已的是,白蚁在建筑过程中根本不需要详细的建筑蓝图,它们只依靠从同伴那儿收集到的信息,便能完成整个建造过程。在构筑蚁巢时,白蚁不会像人类盖房子那样有一个“总设计师”,它们遵循复杂的计划或中央大脑发出的操作指示,接受统一管理。单只白蚁都会根据周围环境自行决定如何行动,自发、独立地构建复杂的结构。

这种集体行动看似缺乏统管,但最终往往能建成高质量的巨大白蚁巢。每一个白蚁巢内还建有复杂的通道、竖井和空气调节系统,使巢内温度常年保持在适合白蚁生存的幅度内。

由此可见,白蚁巢不仅能够保护白蚁群体免遭外敌侵害,而且还能提供一个适于白蚁生活的稳定环境。

“通过对白蚁的观察,我们发现,它们能够以群体的形式完成非常复杂的工作,根本不需要监督。”哈佛大学的计算机学教授拉德希卡·纳格帕尔(Radhika Nagpal)指出,“它们在协同工作的过程中,彼此无需进行讨论,这使我们深感震惊。”

在人类的建筑过程中,一般会采用等级系统进行工作:一位负责人带领一些技术工人,按照一份详细的计划施工。而在白蚁王国,蚁王并不会向每个蚁民发号施令,每只白蚁并不知道其他同伴在做什么,也不知道蚁巢目前的建筑进度。

以往的机器人,都是按照人类的思维模式研发的——需要控制者,或者至少需要类似领队的角色,组织机器人进行活动。但此次哈佛大学的研发人员却打破常规,学习白蚁的行动模式,以此研发的TERMES机器人建筑工根本不需要所谓的领导者。科学家将程序植入芯片中,让它们能够如白蚁般,凭借“本能”自行完成建筑任务。而且,从理论上来说,为一个建筑项目服务的机器人数量可以是无限的。因此,如果用TERMES来完成建筑任务,那么人们就不需要再耗费资源去进行协调活动。

大显身手挑重担

作为TERMES机器人建筑工的早期研发者,韦尔弗和纳格帕尔等研究人员为它们设计了最基础的芯片算法。起初,只有3个TERMES可以用与白蚁类似的行动方式来建造物体。

为了确保在没有刻意规划的情况下,每个TERMES个体都能自主进行建造,科学家创建了两种类型的规则:一种是使它们彼此之间不受阻碍的交通规则,另一种是可以打造它们想要的任何结构的建造规则。具体来说,建造的法规就是什么时候放置砖块是基于该地是否已有砖块,或者什么时候要按照结构向上垒砖,以及何时放置第一级砖块。

按照科学家的设想,用户在确定了想要的建筑结构后,TERMES就会依照规则自动开始实施建造工作。依靠7个红外传感器,它们可以检测到不同颜色的砖块;利用声波导航,它们可以探测到周围是否有其他机器人存在,并与周围建筑物保持安全距离。一旦感应到砖块时,它们便会将其拿起并放在建筑物上。通过编程,科学家能够保证 TERMES沿着一个网格移动。另外,他们设置的一些“交通规则”可以引导机器人正确移动,并合理放置砖块。

在科学家看来,只要执行简单的规则,通过个体工作协调,TERMES就能建造一些复杂的结构。不论是只有5个 TERMES,还是有500个 TERMES,都能以这种方式工作(区别只在于建造进度的快慢)。缺少其中任何一个都不会影响工程进度,建筑规模也容易扩展。

与其他机器人相比,TERMES机器人建筑工的最大不同是不需要集中控制,也不需要相互交流的复杂系统。它们各自都有一套机轮以及一只搬运手臂,手臂前端带有一个装备弹簧的钳子。研究人员表示,如果在特殊情况下,某个工程项目需要监控者的话,那么对系统稍作改进,添加一名中央控制员也非常简单。

韦尔弗指出:“虽然现在研发的 TERMES还处于‘摆弄积木’的初级阶段,但它们将来可能会在很多地方都有用武之地。尽管实现这一目标还需要很长时间,但在目前,它们已经完全能够胜任用沙袋建造防洪堤坝等简单任务。”

我们不妨大胆设想,一旦TERMES机器人建筑工这项技术成熟并广泛投入运用,那么未来类似的自治机器人完全可用于建造供人类居住的建筑——它们能在重建灾区中大显身手,也可在水下建造人类栖息地,或是被我们派往月球建设基地,甚至有望到火星等人类难以涉足的地方进行前期建设……

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