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如何創(chuàng)造一個(gè)真正智能的微型機(jī)器人

2022/08/19
導(dǎo)讀
脫離人類操作員的那種


作者｜David Levin

翻譯｜趙金瑜

校譯｜D

核心觀點(diǎn)：如何創(chuàng)造一個(gè)真正智能的、能獨(dú)立運(yùn)行的微型機(jī)器人？一位機(jī)器人專家為我們細(xì)致地回答了這個(gè)問(wèn)題，并且描述了這些微型機(jī)器可以為我們做的醫(yī)療工作。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，治療我們疾病的“外科醫(yī)生”可能是穿梭在我們體內(nèi)的微型機(jī)器，可以追蹤癌癥腫瘤或清除哪怕是最小的動(dòng)脈中的凝塊。如果這聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)里的設(shè)定，那你沒(méi)想錯(cuò)：在《神奇旅程》和《驚異大奇航》這樣的電影中，人們?cè)缇屯孢^(guò)這個(gè)概念，想象能將機(jī)器縮小到單個(gè)細(xì)胞大小——然而在過(guò)去的幾年里，機(jī)器人學(xué)和材料科學(xué)的進(jìn)步使這一想法越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人專家布拉德利·納爾遜在其職業(yè)生涯中一直致力于創(chuàng)造這樣的微型設(shè)備。他表示，雖然工程師們已經(jīng)制造出了和微生物差不多大小、可以四處移動(dòng)并感知周圍環(huán)境的機(jī)器人，但它們?nèi)匀恍枰藖?lái)遠(yuǎn)程控制。他說(shuō)，下一個(gè)重大挑戰(zhàn)將是讓這些機(jī)器具備某種形式的智能，以便它們能夠獨(dú)立完成工作，完全脫離人類操作員的需要。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人專家布拉德利·納爾遜（圖源：JAMES PROVOST）
然而，究竟怎樣才能創(chuàng)造一個(gè)真正的智能微型機(jī)器人呢？我們又如何在現(xiàn)實(shí)世界中將它們投入使用？2022年《控制、機(jī)器人和自主系統(tǒng)年刊》中一篇文章的作者們提出了這幾個(gè)問(wèn)題。該文章的合著者納爾遜接受了Knowable雜志的采訪，聊了聊為什么該方向的前景如此艱難，以及微型智能機(jī)器的未來(lái)可能會(huì)是什么樣子。?為了保證篇幅和條理性，本文對(duì)采訪內(nèi)容進(jìn)行了編輯整理。什么是微型機(jī)器人？它究竟有多小？一般來(lái)說(shuō)，不論什么尺寸的機(jī)器人，都是指能在不確定的環(huán)境中工作的設(shè)備；它能適應(yīng)周圍的環(huán)境，可以四處移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)需要三大支柱：首先，可感知——機(jī)器人必須以某種方式收集關(guān)于它周圍環(huán)境的信息。第二，可運(yùn)動(dòng)——它必須有某種驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以便它能與這個(gè)世界互動(dòng)。第三，可計(jì)算——它必須弄清楚在特定情況下要采取什么行動(dòng)。在我的工作里，我經(jīng)常試圖將這些元素植入到微型機(jī)器中，其尺寸從單細(xì)胞大小到幾百微米不等。我對(duì)尺寸更小的東西不太感興趣。一旦小于一微米，主導(dǎo)環(huán)境的各種物理性質(zhì)就會(huì)改變。你必須開(kāi)始考慮像布朗運(yùn)動(dòng)（原子和分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)）之類的東西將如何影響你的設(shè)備；那會(huì)成為你的機(jī)器人與環(huán)境間最主要的相互作用，所以研究性質(zhì)會(huì)變得更像化學(xué)，而不是機(jī)器人學(xué)。
為了使細(xì)胞大小的機(jī)器人具有真正意義上的“智能”，工程師們必須結(jié)合各種系統(tǒng)。在上圖中，一個(gè)假想的微型機(jī)器人包含了一個(gè)中央處理器、一種運(yùn)動(dòng)方式、一個(gè)電源、傳感器、機(jī)械臂和其他功能。這個(gè)概念圖給出了其基本的構(gòu)造，以及它們?cè)谏矬w中的類似物。
對(duì)于你在嘗試構(gòu)建的微型機(jī)器人來(lái)說(shuō)，“智能”到底意味著什么？這么小的設(shè)備能做什么？
好吧，這是一個(gè)有趣的哲學(xué)問(wèn)題，可以留給喝啤酒的時(shí)候討論了。我們可以有很多種方法來(lái)定義智能，但當(dāng)我覺(jué)得一個(gè)東西是智能的，我的觀點(diǎn)非常地?cái)M人化。我是否對(duì)它的行為和它適應(yīng)環(huán)境的方式感到驚訝？它是否能以一種我認(rèn)為突出且有趣的方式做一些事情？如果它能夠這樣適應(yīng)環(huán)境，我認(rèn)為它就是智能的。
例如，試想一下大腸桿菌這樣的細(xì)菌。每個(gè)大腸桿菌的身體都是一個(gè)單細(xì)胞，也許只有一兩微米長(zhǎng)。它的表面有化學(xué)感受器，可以感知周圍的氨基酸或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。它有一條通往鞭毛（實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的旋轉(zhuǎn)附肢）的通信通道，它可以改變?cè)谀愕南乐校ɑ蚱渌胤剑┭埠降姆绞健?/span>大腸桿菌也有一種“軟件”：漂浮在它體內(nèi)的DNA片段控制著它如何重建或修復(fù)自身，從而得以維持生命。因此在某種程度上，它是自然界的微型機(jī)器人。它有傳感器、通信通道、傳感算法、引導(dǎo)電機(jī)的控制軟件——而且它能做出基本的決策。事實(shí)上，大腸桿菌在這方面做得非常好，以至于一些機(jī)器人專家正在利用它作為他們?cè)O(shè)備的一部分。他們一般將微型機(jī)器人搭在微生物上，讓它替代完成所有的感知和運(yùn)動(dòng)。
如何讓一個(gè)微型機(jī)器人跳舞？當(dāng)然是向它發(fā)射激光。賓夕法尼亞大學(xué)的機(jī)器人專家馬克·米斯金已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的可構(gòu)建和控制細(xì)胞大小的機(jī)器人：利用聚焦的激光，他能夠?yàn)闄C(jī)器人背上的微型內(nèi)置電路供電，使它們的腿瞬間彎曲。通過(guò)將光束交替照射到兩個(gè)不同的電路上，他可以誘導(dǎo)機(jī)器人朝特定的方向“行走”。在上面的視頻中，你可以看到這個(gè)過(guò)程的實(shí)際操作——注意米斯金的機(jī)器人背面出現(xiàn)的微小白色閃光。（來(lái)源：MARC MISKIN / UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA AND CORNELL UNIVERSITY）
你的微型機(jī)器人有從細(xì)菌中獲得過(guò)靈感嗎？當(dāng)然有。它們?cè)诃h(huán)境中移動(dòng)的方式是不可思議的。它們使用一種我從未想過(guò)的出色策略——起初，它們只是隨機(jī)地四處移動(dòng)，但當(dāng)它們開(kāi)始感應(yīng)到一些好東西，如氨基酸或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，它們會(huì)游得更久一點(diǎn)，這往往會(huì)使它們逐漸向那個(gè)方向移動(dòng)。這就是我們所說(shuō)的“有傾向的隨機(jī)行走”。作為一個(gè)工程師，你就會(huì)想，“哦，這種方式確實(shí)很棒”。它們基本上是在遵循化學(xué)梯度。你都可以想象到制造出能實(shí)現(xiàn)類似功能的微型機(jī)器人：它們可以遵循溫度梯度、pH梯度或某種疾病的化學(xué)特征。所以，是的，自然界給了我很大的啟發(fā)。在微小的生物體中進(jìn)化出了極其豐富復(fù)雜的“智能”行為，如果我能找出一種方法在機(jī)器人中復(fù)制這些行為，這將會(huì)非常令人振奮。為了制造這樣的機(jī)器人，需要克服哪些障礙？哦，有很多障礙。自2003年以來(lái)，我一直在試圖制造微型機(jī)器人的領(lǐng)域工作。起初，我們只是試圖弄清楚如何讓這些東西移動(dòng)，以及如何控制它們。后來(lái)我們開(kāi)始思考，它們要實(shí)現(xiàn)什么功能？我們打算在這些設(shè)備上添加什么樣的化學(xué)或物理功能？是否有辦法讓它們具有某種自主性？
我們?nèi)栽谘芯孔詈笠粋€(gè)問(wèn)題。我們已經(jīng)開(kāi)始探索能夠以某種方式對(duì)周圍環(huán)境作出反應(yīng)的聚合物和材料，例如自動(dòng)改變其形狀，以便使它們能夠通過(guò)狹窄的區(qū)域等等。但最大的障礙是將所有不同的組件結(jié)合起來(lái)。成功的微型機(jī)器人必須能感知環(huán)境并能做出響應(yīng)，從而完成一項(xiàng)特定的任務(wù)。假設(shè)我們能做到這一點(diǎn)，你認(rèn)為微型機(jī)器人將在現(xiàn)實(shí)世界中如何使用？它們將如何改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)？我認(rèn)為我們首先看到的應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。這是一個(gè)合乎邏輯的進(jìn)展。我們已經(jīng)在使用越來(lái)越小的醫(yī)療設(shè)備和機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)；與其他技術(shù)相比，這樣的醫(yī)療工具可以更深入你的身體，而且造成更小的創(chuàng)傷，比如可以深入大腦治療動(dòng)脈瘤或清除血栓的導(dǎo)管。在未來(lái)，我們將繼續(xù)看到該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，但我們能把這些設(shè)備做得多小是有限制的。
利用先進(jìn)的新材料，納爾遜的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了微型的可遙控設(shè)備，它們可以根據(jù)磁場(chǎng)改變形狀和“游泳”。利用這樣的技術(shù)，有可能創(chuàng)造出可用于輸送藥物或在人體內(nèi)部執(zhí)行醫(yī)療程序的微型機(jī)器人。（來(lái)源：EPFL）
自然地，下一步會(huì)是讓微型機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)微小的空間，并在發(fā)病早期展開(kāi)治療。想象一下，一個(gè)設(shè)備可以進(jìn)入你的肺部，在癌癥擴(kuò)散之前發(fā)現(xiàn)并治療它?；蛘咧委熌阍诖竽X深處、導(dǎo)管無(wú)法到達(dá)的血凝塊——簡(jiǎn)單的微型機(jī)器人有可能到達(dá)堵塞的區(qū)域并幫助疏通它們。這類任務(wù)聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜。你需要人工智能來(lái)做這些工作嗎？不，暫時(shí)不需要。我的意思是，目前將人工智能置入微型機(jī)器人是不可能的。對(duì)于那么小號(hào)的東西來(lái)說(shuō)，它需要的計(jì)算量太大了。但如果我們能做到那個(gè)程度，就太酷了，而且我確信我們可以給它想出一些實(shí)際的用途，不過(guò)這超出了我的職業(yè)范圍，而且可能在我有生之年都不會(huì)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，需要注意的是，在這個(gè)問(wèn)題里，我們實(shí)際上可能并不需要像人工智能那樣強(qiáng)大的東西。你仍然可以使用簡(jiǎn)單的智能和自主決策來(lái)構(gòu)建一個(gè)非常有用的微型機(jī)器人。如果你擁有能夠識(shí)別環(huán)境變化，并以此改變其行為的微型設(shè)備，它們就可以做一些令人驚訝的復(fù)雜事情。例如，提供化學(xué)療法。如果一個(gè)微型機(jī)器人可以檢測(cè)到腫瘤的pH值或溫度梯度，它們可以慢慢地朝那個(gè)方向移動(dòng)，并將高毒性藥物直接釋放到癌組織中，而不影響到身體的其他部位。像這樣的設(shè)備可能只具有微生物水平的智能，但對(duì)于疾病檢測(cè)和藥物輸送來(lái)說(shuō)，仍然可能是極其有效的。作為一名工程師，我始終牢記這一目標(biāo)：我可以用哪種最精簡(jiǎn)的方式設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器來(lái)完成某項(xiàng)任務(wù)？它不一定要會(huì)下棋；它只需要完成工作。
著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1959年的演講“在底部還有很大空間”中暢享了一個(gè)充滿微型機(jī)器的未來(lái)。在這段多年后拍攝的視頻中，他為新的觀眾重溫了這些概念。（來(lái)源：MUON RAY）

你認(rèn)為微型機(jī)器人在不久的將來(lái)會(huì)被商業(yè)化使用嗎??如果是的話，你認(rèn)為我們這個(gè)目標(biāo)還有多遠(yuǎn)?是的，每個(gè)人都想知道還要多久！過(guò)去我總在說(shuō)我們還有五年的時(shí)間?，F(xiàn)在我想說(shuō)三年。雖然仍然存在很多不確定性，但時(shí)間線正在縮短。該領(lǐng)域的其他人員正在以越來(lái)越小的規(guī)模制造電子器件，將小晶體管和其他東西放在微型機(jī)器人上，并直接在其中構(gòu)建電路。我們開(kāi)始意識(shí)到我們可以直接在微型機(jī)器人上嵌入一些基本的計(jì)算元素。問(wèn)題是，它們最終需要多少計(jì)算量？它們將需要多少機(jī)載內(nèi)存？你希望它們學(xué)到多少東西？以我們現(xiàn)有的技術(shù)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，微型機(jī)器人將是非常簡(jiǎn)單的。

作者David Levin是一位居住在波士頓的自由撰稿科學(xué)作家?？梢酝ㄟ^(guò)他的網(wǎng)站 www.davidlevineditorial.com與他聯(lián)系。

  • 譯名對(duì)照表：

Fantastic Voyage    《神奇旅程》

Innerspace    《驚異大奇航》

Bradley Nelson    布拉德利·納爾遜

ETH Zürich    蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems    《控制、機(jī)器人和自主系統(tǒng)年刊》

rotating appendage    旋轉(zhuǎn)附肢

MARC MISKIN    馬克·米斯金

Richard Feynman    理查德·費(fèi)曼

There’s Plenty of Room at the Bottom    在底部還有很大空間

版權(quán)聲明

本文授權(quán)翻譯自Annual Reviews 旗下雜志 Knowable Magazine，點(diǎn)擊文末閱讀原文可訂閱其英文通訊。


Annual Reviews是一家致力于向科研工作者們提供高度概括、綜合信息的非營(yíng)利性機(jī)構(gòu)，且專注于出版綜述期刊。


原文標(biāo)題“Making microbots smart”，作者David Levin，2022年6月27日發(fā)布于 Knowable Magazine。


封面圖CREDIT: TY HUANG ET AL，來(lái)自Knowable Magazine網(wǎng)站。


鏈接：

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

制版｜馬修

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