身体的智能：7.7可扩展性、自组装、自修复、同质与异质

第一台据说可以自修复的机器人叫“fracta”，也是由Murata建造的。fracta是一个模块化机器人，其基于识别排除替换原理工作。首先，识别有缺陷的模块，各个模块通过检测其邻居模块是否吸收电能，判断是否存在故障模块。如果检测到一个故障模块，就将它从系统中排除。由于故障模块可能被大量模块包围，排除过程并不简单，需采用聪明的重构过程。最终替换故障模块：从备用模块仓库中挑选一个新模块，该模块移动到合适的位置，这同样需要一套复杂的算法。

显然，fracta机器人取得了开创性的进步，但是这种方法的局限性也很大。自修复过程是破坏性的，可以说，整个大规模模块被替换了。生物体，诸如水螅的工作方式则不同，它们自修复的动力一方面源于其控制生长的基因调控网络，另一方面源于细胞的庞大数量。但是，就目前有关人工模块或细胞的生长及分化的研究成果，我们暂时还无法摆脱识别–排除–替换策略。不过，如果模块的尺寸大大减小，模块的数量充分增加，那么这种方法能够在很大程度上变得更加精细。但是，为了尽可能减小尺寸，必须从根本上改变模块，与其建立一套精细的机电及通信系统（如很难制造任意小的电机），还不如应用不同的技术。

关于这一点，能够使模块变得任意小的技术叫做可扩展技术。关于模块化机器人技术的可扩展性概念稍做补充，即此种方法不仅适用于有10个、20个或者100个模块的机器人，还适用于那些有着数千模块的机器人。当然，如果我们想要非常小的模块，我们的技术需要在各个方向上都是可扩展的。因为不能再采用传统的微

处理器编程方式来控制模块，我们不得不更多地依靠它们的表面特性、形状、还有自组织过程来控制它们的行为。例如，需要每个单元能够移动。这可借助基于电活性聚合物的人工肌肉来实现。电活性聚合物可以响应电刺激而改变形状，是一项可扩展技术，目前，世界上多个实验室在对其开展研究。另一个方法已被 HYDRON模块采用，就是要将模块都放入液体环境中。

此外，可以利用模块的表面特性，就像生物细胞一样，使某种表面与其他特定种类的表面进行连接，例如，Velcro尼龙搭扣只能连接到Velcro尼龙搭扣上（在生物系统中，这种功能部分通过细胞的黏附分子实现）。这样，借助于这种表面特性以及模块的运动，自组装过程在形态计算上就只需花费较少的计算量。可以想象一个充满了大量微小模块的盒子，为了使模块运动以实现相互连接，我们摇晃盒子来提供能量。尽管摇晃的过程是随机的，但由于各种表面特性和力的作用，所产生的结构却不是随机的。这一思想被东京大学的Isao Shimoyama和他的同事们证实，他们采用三角形的模块，通过摇动盒子，模块会被自组装成不同的形状，但产生六边形的可能性最高（Hosokawa等，1995）。一般来说，如果模块变得越来越小，那么直接组装就会变得越来越困难，这样人们就会越来越依赖自组织过程，这在纳米技术领域里非常普遍。从纳米级到厘米级，自组装现象已经在不同尺度水平得到了证实和应用（Whitesides和Grzybowski，2003）。其如何工作的细节并不重要，但是我们期望在不久的未来，这些技术发展能对模块化机器人技术产生重要影响。由缩小模块尺寸所得到的一个重要好处就是其一般性。模块尺寸越是缩小，你就越是能近似得到各种形状，很难仅由大的、正方形的方砖得到一个灵巧的手，然而如果你有生物细胞大小的基础模块，你就能构造出任意形状。这启迪我们思考模块化机器人技术的另一要点。

一个生物体不是由一种类型的细胞构成的，而是由许多不同类型的细胞构成的。例如，像前面所提到的，一个人大约拥有1014个细胞，分化成数千种细胞类型，这取决于你如何分类。所以，只有拥有了足够多的不同类型的细胞，才能实现复杂功能，至少在生物体中是这样的。只有细胞足够小（大约10um级）而且细胞种类足够多，由这两种综合效果，才能进化得到地球上巨大的生物多样性，估计有三千万到五千万不同的物种。所以，仅有模块化是不够的；为了实现功能的多样性，必须要有不同种类的细胞。现在，让我们看一看如何将这些问题转化到模块化机器人的设计中。

我们在模块化机器人学上有许多设计选择。我们可以构造具有多种功能的单一类型模块，这是由Stoy，Murata，Ishiguro还有在HYDRA项目中所采用的方法。这些模块可以与它们的邻居通信，可以提供结构方面的支持，它们可以驱动它们的邻

①如前面提及的，黏菌能只以一种细胞类型完成多项功能，但是它的行为和其他拥有多种不同种类细胞的生物体相比，是非常有限的。

居，进行连接或者分离，它们还能感知周围的环境（例如，它们可以检测光或者糖的化学浓度）以及处理传感器和电机信号。使用这类“通用”模块意味着其很多功能用不上，例如，生物体内的模块也许仅用于结构支持，像骨头（我们这里使用引号说明在真实的世界里不存在这种通用性）。这样的设计过于昂贵，而且往往是大材小用。但是这类通用模块可以提供灵活性与冗余性，单一类型的模块可以在任何地方使用，并且如果一个模块失灵了，它可由任一其他模块所取代。另外，显而易见的是，如果使用单一类型构件，自重构将会容易得多。此外，对于大规模制造，生产单一类型的模块当然也要经济得多。

因而，有人也许会想到使用不同类型的模块来达到一种折中：一些模块只具备连接功能（用于结构支持，不需要用于感知、驱动以及处理）；一些模块专用于驱动；

一些模块用于感知等。但是这需要我们留意，必须在合适的地方有合适类型的模块。

另外，对于自修复，我们需要对所有不同类型的模块都做一定额外的储备。另一方面，对于专门的结构设计专门的模块也使得成本更低廉一些。对于这个问题没有一个绝对最好的解决方案：依赖于特别的任务环境，制造的经济约束以及所需的鲁棒性，总是需要找到某种折中。

现在让我们看看模块系统的另一能力――自再造。