嶄露頭角的機器人建筑工

李忠東

添磚加瓦蓋房忙

2014年2月13-17日，美國科學促進會（The American Association for the Advancement of Science，AAAS）在芝加哥舉行了2014年年會。期間，美國哈佛大學工程和應用科學學院攜手維斯生物工程研究所，向大家展示了一種能夠自組織的小型機器人建筑工——“白蟻”（TERMES）。這是由哈佛大學賈斯汀·韋爾弗（Justin Werfel）教授主導的科研項目成果，整個研發過程歷時4年之久。

這種機器人建筑工如中型遙控玩具車一般大小，有4個輪子，裝有若干探測器和用于舉起建筑構件的裝置。TERMES依靠紅外和超聲波傳感器的信號引導，能夠在無人監督或者指導的情況下，用由輕型泡沫制造的建筑磚，自行建造包括高塔、城堡和金字塔等在內的復雜三維結構。在整個建造過程中，TERMES無需使用任何詳細的圖紙。此外，它們還會選擇合理的行動路線，保證事半功倍。

在演示過程中，科學家讓TERMES現場建筑一座城堡，這一過程讓在場所有的觀眾都瞠目結舌。只見它們前后左右移動，到指定位置拿取積木一樣的“磚塊”，像白蟻建造蟻丘那樣在沒有總體設計和統一管理的情況下，根據探測到的環境和預設邏輯規則把“磚塊”放到某個位置。在已放有“磚塊”的地方，TERMES會熟練地爬上一層“磚塊”再進行壘放，如此層層疊加。實際上，并沒有任何一個程序告訴它們在建造的是什么，對于這些機器人來說，它們只需要像我們遵守交通規則一樣按部就班，就能順利完成任務。即便在建造過程中有任意一位成員出現了故障，也不會影響工程的整體進度。當然，TERMES也不會將自己困在建筑框架內。雖然機器人建筑工的建造進度較慢，但每一位TERMES都能進行自我保護，有效識別危險地帶，將工傷發生的可能性降至最低。

雖然TERMES機器人建筑工的個頭很小，長度只有15厘米，但它們所表現出來的建筑能力已經給人們留下了深刻印象。

學習白蟻造蟻巢

我們從這種機器人的命名上就不難發現，科學家的靈感來自于白蟻，他們正是從白蟻打造蟻巢中受到了啟發。

白蟻是巢居生活的昆蟲，蟻巢是它們的大本營。這種昆蟲的建造能力非常驚人，是動物世界里的優秀建筑師。有些白蟻巢在地上筑壟高達9米，基部直徑可達20～30米，有的巢筑在地下，也有的筑在墻壁里或樹木中。數百萬只白蟻攜手合作，能夠“蓋起”幾十萬立方厘米的白蟻巢。

令科學家贊嘆不已的是，白蟻在建筑過程中根本不需要詳細的建筑藍圖，它們只依靠從同伴那兒收集到的信息，便能完成整個建造過程。在構筑蟻巢時，白蟻不會像人類蓋房子那樣有一個“總設計師”，它們遵循復雜的計劃或中央大腦發出的操作指示，接受統一管理。單只白蟻都會根據周圍環境自行決定如何行動，自發、獨立地構建復雜的結構。

這種集體行動看似缺乏統管，但最終往往能建成高質量的巨大白蟻巢。每一個白蟻巢內還建有復雜的通道、豎井和空氣調節系統，使巢內溫度常年保持在適合白蟻生存的幅度內。

由此可見，白蟻巢不僅能夠保護白蟻群體免遭外敵侵害，而且還能提供一個適于白蟻生活的穩定環境。

“通過對白蟻的觀察，我們發現，它們能夠以群體的形式完成非常復雜的工作，根本不需要監督。”哈佛大學的計算機學教授拉德希卡·納格帕爾（Radhika Nagpal）指出，“它們在協同工作的過程中，彼此無需進行討論，這使我們深感震驚。”

在人類的建筑過程中，一般會采用等級系統進行工作：一位負責人帶領一些技術工人，按照一份詳細的計劃施工。而在白蟻王國，蟻王并不會向每個蟻民發號施令，每只白蟻并不知道其他同伴在做什么，也不知道蟻巢目前的建筑進度。

以往的機器人，都是按照人類的思維模式研發的——需要控制者，或者至少需要類似領隊的角色，組織機器人進行活動。但此次哈佛大學的研發人員卻打破常規，學習白蟻的行動模式，以此研發的TERMES機器人建筑工根本不需要所謂的領導者。科學家將程序植入芯片中，讓它們能夠如白蟻般，憑借“本能”自行完成建筑任務。而且，從理論上來說，為一個建筑項目服務的機器人數量可以是無限的。因此，如果用TERMES來完成建筑任務，那么人們就不需要再耗費資源去進行協調活動。

大顯身手挑重擔

作為TERMES機器人建筑工的早期研發者，韋爾弗和納格帕爾等研究人員為它們設計了最基礎的芯片算法。起初，只有3個TERMES可以用與白蟻類似的行動方式來建造物體。

為了確保在沒有刻意規劃的情況下，每個TERMES個體都能自主進行建造，科學家創建了兩種類型的規則：一種是使它們彼此之間不受阻礙的交通規則，另一種是可以打造它們想要的任何結構的建造規則。具體來說，建造的法規就是什么時候放置磚塊是基于該地是否已有磚塊，或者什么時候要按照結構向上壘磚，以及何時放置第一級磚塊。

按照科學家的設想，用戶在確定了想要的建筑結構后，TERMES就會依照規則自動開始實施建造工作。依靠7個紅外傳感器，它們可以檢測到不同顏色的磚塊;利用聲波導航，它們可以探測到周圍是否有其他機器人存在，并與周圍建筑物保持安全距離。一旦感應到磚塊時，它們便會將其拿起并放在建筑物上。通過編程，科學家能夠保證 TERMES沿著一個網格移動。另外，他們設置的一些“交通規則”可以引導機器人正確移動，并合理放置磚塊。

在科學家看來，只要執行簡單的規則，通過個體工作協調，TERMES就能建造一些復雜的結構。不論是只有5個 TERMES，還是有500個 TERMES，都能以這種方式工作（區別只在于建造進度的快慢）。缺少其中任何一個都不會影響工程進度，建筑規模也容易擴展。

與其他機器人相比，TERMES機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復雜系統。它們各自都有一套機輪以及一只搬運手臂，手臂前端帶有一個裝備彈簧的鉗子。研究人員表示，如果在特殊情況下，某個工程項目需要監控者的話，那么對系統稍作改進，添加一名中央控制員也非常簡單。

韋爾弗指出：“雖然現在研發的 TERMES還處于‘擺弄積木’的初級階段，但它們將來可能會在很多地方都有用武之地。盡管實現這一目標還需要很長時間，但在目前，它們已經完全能夠勝任用沙袋建造防洪堤壩等簡單任務。”

我們不妨大膽設想，一旦TERMES機器人建筑工這項技術成熟并廣泛投入運用，那么未來類似的自治機器人完全可用于建造供人類居住的建筑——它們能在重建災區中大顯身手，也可在水下建造人類棲息地，或是被我們派往月球建設基地，甚至有望到火星等人類難以涉足的地方進行前期建設……