如何创造一个真正智能的微型机器人-资讯-知识分子

如何创造一个真正智能的微型机器人

2022/08/19

导读

脱离人类操作员的那种

作者｜David Levin

翻译｜赵金瑜

校译｜D

核心观点：如何创造一个真正智能的、能独立运行的微型机器人？一位机器人专家为我们细致地回答了这个问题，并且描述了这些微型机器可以为我们做的医疗工作。在不远的将来，治疗我们疾病的“外科医生”可能是穿梭在我们体内的微型机器，可以追踪癌症肿瘤或清除哪怕是最小的动脉中的凝块。如果这听起来像科幻小说里的设定，那你没想错：在《神奇旅程》和《惊异大奇航》这样的电影中，人们早就玩过这个概念，想象能将机器缩小到单个细胞大小——然而在过去的几年里，机器人学和材料科学的进步使这一想法越来越接近现实。苏黎世联邦理工学院的机器人专家布拉德利·纳尔逊在其职业生涯中一直致力于创造这样的微型设备。他表示，虽然工程师们已经制造出了和微生物差不多大小、可以四处移动并感知周围环境的机器人，但它们仍然需要人来远程控制。他说，下一个重大挑战将是让这些机器具备某种形式的智能，以便它们能够独立完成工作，完全脱离人类操作员的需要。

苏黎世联邦理工学院的机器人专家布拉德利·纳尔逊（图源：JAMES PROVOST）

然而，究竟怎样才能创造一个真正的智能微型机器人呢？我们又如何在现实世界中将它们投入使用？2022年《控制、机器人和自主系统年刊》中一篇文章的作者们提出了这几个问题。该文章的合著者纳尔逊接受了Knowable杂志的采访，聊了聊为什么该方向的前景如此艰难，以及微型智能机器的未来可能会是什么样子。 为了保证篇幅和条理性，本文对采访内容进行了编辑整理。什么是微型机器人？它究竟有多小？一般来说，不论什么尺寸的机器人，都是指能在不确定的环境中工作的设备；它能适应周围的环境，可以四处移动并实现特定目标。传统观念认为，机器人技术需要三大支柱：首先，可感知——机器人必须以某种方式收集关于它周围环境的信息。第二，可运动——它必须有某种驱动机制，以便它能与这个世界互动。第三，可计算——它必须弄清楚在特定情况下要采取什么行动。在我的工作里，我经常试图将这些元素植入到微型机器中，其尺寸从单细胞大小到几百微米不等。我对尺寸更小的东西不太感兴趣。一旦小于一微米，主导环境的各种物理性质就会改变。你必须开始考虑像布朗运动（原子和分子的随机运动）之类的东西将如何影响你的设备；那会成为你的机器人与环境间最主要的相互作用，所以研究性质会变得更像化学，而不是机器人学。

为了使细胞大小的机器人具有真正意义上的“智能”，工程师们必须结合各种系统。在上图中，一个假想的微型机器人包含了一个中央处理器、一种运动方式、一个电源、传感器、机械臂和其他功能。这个概念图给出了其基本的构造，以及它们在生物体中的类似物。

对于你在尝试构建的微型机器人来说，“智能”到底意味着什么？这么小的设备能做什么？
好吧，这是一个有趣的哲学问题，可以留给喝啤酒的时候讨论了。我们可以有很多种方法来定义智能，但当我觉得一个东西是智能的，我的观点非常地拟人化。我是否对它的行为和它适应环境的方式感到惊讶？它是否能以一种我认为突出且有趣的方式做一些事情？如果它能够这样适应环境，我认为它就是智能的。
例如，试想一下大肠杆菌这样的细菌。每个大肠杆菌的身体都是一个单细胞，也许只有一两微米长。它的表面有化学感受器，可以感知周围的氨基酸或其他营养物质。它有一条通往鞭毛（实现运动功能的旋转附肢）的通信通道，它可以改变在你的消化道中（或其他地方）巡航的方式。大肠杆菌也有一种“软件”：漂浮在它体内的DNA片段控制着它如何重建或修复自身，从而得以维持生命。因此在某种程度上，它是自然界的微型机器人。它有传感器、通信通道、传感算法、引导电机的控制软件——而且它能做出基本的决策。事实上，大肠杆菌在这方面做得非常好，以至于一些机器人专家正在利用它作为他们设备的一部分。他们一般将微型机器人搭在微生物上，让它替代完成所有的感知和运动。

如何让一个微型机器人跳舞？当然是向它发射激光。宾夕法尼亚大学的机器人专家马克·米斯金已经开发出一种新的可构建和控制细胞大小的机器人：利用聚焦的激光，他能够为机器人背上的微型内置电路供电，使它们的腿瞬间弯曲。通过将光束交替照射到两个不同的电路上，他可以诱导机器人朝特定的方向“行走”。在上面的视频中，你可以看到这个过程的实际操作——注意米斯金的机器人背面出现的微小白色闪光。（来源：MARC MISKIN / UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA AND CORNELL UNIVERSITY）

你的微型机器人有从细菌中获得过灵感吗？当然有。它们在环境中移动的方式是不可思议的。它们使用一种我从未想过的出色策略——起初，它们只是随机地四处移动，但当它们开始感应到一些好东西，如氨基酸或其他营养物质时，它们会游得更久一点，这往往会使它们逐渐向那个方向移动。这就是我们所说的“有倾向的随机行走”。作为一个工程师，你就会想，“哦，这种方式确实很棒”。它们基本上是在遵循化学梯度。你都可以想象到制造出能实现类似功能的微型机器人：它们可以遵循温度梯度、pH梯度或某种疾病的化学特征。所以，是的，自然界给了我很大的启发。在微小的生物体中进化出了极其丰富复杂的“智能”行为，如果我能找出一种方法在机器人中复制这些行为，这将会非常令人振奋。为了制造这样的机器人，需要克服哪些障碍？哦，有很多障碍。自2003年以来，我一直在试图制造微型机器人的领域工作。起初，我们只是试图弄清楚如何让这些东西移动，以及如何控制它们。后来我们开始思考，它们要实现什么功能？我们打算在这些设备上添加什么样的化学或物理功能？是否有办法让它们具有某种自主性？
我们仍在研究最后一个问题。我们已经开始探索能够以某种方式对周围环境作出反应的聚合物和材料，例如自动改变其形状，以便使它们能够通过狭窄的区域等等。但最大的障碍是将所有不同的组件结合起来。成功的微型机器人必须能感知环境并能做出响应，从而完成一项特定的任务。假设我们能做到这一点，你认为微型机器人将在现实世界中如何使用？它们将如何改进现有的技术？我认为我们首先看到的应用会出现在医学领域。这是一个合乎逻辑的进展。我们已经在使用越来越小的医疗设备和机器人进行手术；与其他技术相比，这样的医疗工具可以更深入你的身体，而且造成更小的创伤，比如可以深入大脑治疗动脉瘤或清除血栓的导管。在未来，我们将继续看到该技术的进一步发展，但我们能把这些设备做得多小是有限制的。

利用先进的新材料，纳尔逊的实验室已经开发出了微型的可遥控设备，它们可以根据磁场改变形状和“游泳”。利用这样的技术，有可能创造出可用于输送药物或在人体内部执行医疗程序的微型机器人。（来源：EPFL）

自然地，下一步会是让微型机器人进入体内微小的空间，并在发病早期展开治疗。想象一下，一个设备可以进入你的肺部，在癌症扩散之前发现并治疗它。或者治疗你在大脑深处、导管无法到达的血凝块——简单的微型机器人有可能到达堵塞的区域并帮助疏通它们。这类任务听起来相当复杂。你需要人工智能来做这些工作吗？不，暂时不需要。我的意思是，目前将人工智能置入微型机器人是不可能的。对于那么小号的东西来说，它需要的计算量太大了。但如果我们能做到那个程度，就太酷了，而且我确信我们可以给它想出一些实际的用途，不过这超出了我的职业范围，而且可能在我有生之年都不会实现。不过，需要注意的是，在这个问题里，我们实际上可能并不需要像人工智能那样强大的东西。你仍然可以使用简单的智能和自主决策来构建一个非常有用的微型机器人。如果你拥有能够识别环境变化，并以此改变其行为的微型设备，它们就可以做一些令人惊讶的复杂事情。例如，提供化学疗法。如果一个微型机器人可以检测到肿瘤的pH值或温度梯度，它们可以慢慢地朝那个方向移动，并将高毒性药物直接释放到癌组织中，而不影响到身体的其他部位。像这样的设备可能只具有微生物水平的智能，但对于疾病检测和药物输送来说，仍然可能是极其有效的。作为一名工程师，我始终牢记这一目标：我可以用哪种最精简的方式设计一台机器来完成某项任务？它不一定要会下棋；它只需要完成工作。

著名物理学家理查德·费曼在1959年的演讲“在底部还有很大空间”中畅享了一个充满微型机器的未来。在这段多年后拍摄的视频中，他为新的观众重温了这些概念。（来源：MUON RAY）

你认为微型机器人在不久的将来会被商业化使用吗? 如果是的话，你认为我们这个目标还有多远?是的，每个人都想知道还要多久！过去我总在说我们还有五年的时间。现在我想说三年。虽然仍然存在很多不确定性，但时间线正在缩短。该领域的其他人员正在以越来越小的规模制造电子器件，将小晶体管和其他东西放在微型机器人上，并直接在其中构建电路。我们开始意识到我们可以直接在微型机器人上嵌入一些基本的计算元素。问题是，它们最终需要多少计算量？它们将需要多少机载内存？你希望它们学到多少东西？以我们现有的技术，在可预见的未来，微型机器人将是非常简单的。

作者David Levin是一位居住在波士顿的自由撰稿科学作家。可以通过他的网站 www.davidlevineditorial.com与他联系。

译名对照表：

Fantastic Voyage 《神奇旅程》

Innerspace 《惊异大奇航》

Bradley Nelson 布拉德利·纳尔逊

ETH Zürich 苏黎世联邦理工学院

Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems 《控制、机器人和自主系统年刊》

rotating appendage 旋转附肢

MARC MISKIN 马克·米斯金

Richard Feynman 理查德·费曼

There’s Plenty of Room at the Bottom 在底部还有很大空间

本文授权翻译自Annual Reviews 旗下杂志 Knowable Magazine，点击文末阅读原文可订阅其英文通讯。

Annual Reviews是一家致力于向科研工作者们提供高度概括、综合信息的非营利性机构，且专注于出版综述期刊。

原文标题“Making microbots smart”，作者David Levin，2022年6月27日发布于 Knowable Magazine。

封面图CREDIT: TY HUANG ET AL，来自Knowable Magazine网站。

链接：

https://knowablemagazine.org/article/technology/2022/making-microbots-smart

制版｜马修

欢迎关注我们，投稿、授权等请联系

saixiansheng@zhishifenzi.com

参与讨论

0 条评论

暂无评论内容

如何创造一个真正智能的微型机器人

赛先生

相关阅读

细推物理须行乐：李政道的科学人生

用13年，抵达量子模拟无人区

游戏刚刚开始：中国科大实现光子分数量子霍尔态

订阅Newsletter