作者｜David Levin 翻译｜赵金瑜 校译｜D 中心观念：如何发明一个真正智能的、能独立运转的微型机器人？一位机器人专家为我们细致地回答了这个问题，并且描画了这些微型机器能够为我们做的医疗工作。 在不远的未来，治疗我们疾病的“外科医生”可能是穿越在我们体内的微型机器，能够追踪癌症肿瘤或肃清哪怕是最小的动脉中的凝块。假如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，想象能将机器减少到单个细胞大小——但是在过去的几年里，机器人学和资料科学的进步使这一想法越来越接近理想。 苏黎世联邦理工学院的机器人专家布拉德利·纳尔逊在其职业生活中不时努力于发明这样的微型设备。他表示，固然工程师们曾经制造出了和微生物差未几大小、能够四处移动并感知周围环境的机器人，但它们依旧需求人来远程控制。他说，下一个严重应战将是让这些机用具备某种方式的智能，以便它们能够独立完成工作，完整脱离人类操作员的需求。
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） 但是，究竟怎样才干发明一个真正的智能微型机器人呢？我们又如何在理想世界中将它们投入运用？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。为了保障篇幅和条理性，本文对采访内容中止了编辑整理。 什么是微型机器人？它究竟有多小？ 普通来说，不论什么尺寸的机器人，都是指能在不肯定的环境中工作的设备；它能顺应周围的环境，能够四处移动并完成特定目的。传统观念以为，机器人技术需求三大支柱：首先，可感知——机器人必须以某种方式搜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——它必须弄分明在特定状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味。一旦小于一微米，主导环境的各种物理性质就会改动。你必须开端思索像布朗运动（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，所以研讨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”，工程师们必须分离各种系统。在上图中，一个假想的微型机器人包含了一个中央处置器、一种运动方式、一个电源、传感器、机械臂和其他功用。这个概念图给出了其基本的结构，以及它们在生物体中的相似物。 关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，能够留给喝啤酒的时分讨论了。我们能够有很多种措施来定义智能，但当我觉得一个东西是智能的，我的观念十分地拟人化。我能否对它的行为和它顺应环境的方式感到诧异？它能否能以一种我以为突出且有趣的方式做一些事情？假如它能够这样顺应环境，我以为它就是智能的。 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，或许只需一两微米长。它的名义有化学感受器，能够感知周围的氨基酸或其他营养物质。它有一条通往鞭毛（完成运动功用的旋转附肢）的通讯通道，它能够改动在你的消化道中（或其他中央）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。因而在某种水平上，它是自然界的微型机器人。它有传感器、通讯通道、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十分好，致使于一些机器人专家正在应用它作为他们设备的一部分。他们普通将微型机器人搭在微生物上，让它替代完成一切的感知和运动。 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·米斯金曾经开发出一种新的可构建和控制细胞大小的机器人：应用聚焦的激光，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。经过将光束交替映照到两个不同的电路上，他能够诱导机器人朝特定的方向“行走”。在上面的视频中，你能够看到这个过程的实践操作——留意米斯金的机器人背面呈现的微小白色闪光。（来源：MARC MISKIN / UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA AND CORNELL UNIVERSITY） 你的微型机器人有从细菌中取得过灵感吗？ 当然有。它们在环境中移动的方式是不可思议的。它们运用一种我从未想过的出色战略——起初，它们只是随机地四处移动，但当它们开端感应到一些好东西，如氨基酸或其他营养物质时，它们会游得更久一点，这常常会使它们逐步向那个方向移动。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，这种方式的确很棒”。它们基本上是在遵照化学梯度。 你都能够想象到制出能完成相似功用的微型机器人：它们能够遵照温度梯度、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示。在微小的生物体中进化出了极端丰厚复杂的“智能”行为，假如我能找出一种措施在机器人中复制这些行为，这将会十分令人振奋。 为了制造这样的机器人，需求抑止哪些障碍？ 哦，有很多障碍。自2003年以来，我不时在试图制造微型机器人的范畴工作。起初，我们只是试图弄分明如何让这些东西移动，以及如何控制它们。后来我们开端思索，它们要完成什么功用？我们打算在这些设备上添加什么样的化学或物理功用？能否有措施让它们具有某种自主性？ 我们仍在研讨最后一个问题。我们曾经开端探求能够以某种方式对周围环境作出反响的聚合物和资料，例如自动改动其外形，以便使它们能够经过狭窄的区域等等。但最大的障碍是将一切不同的组件分离起来。胜利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。 假定我们能做到这一点，你以为微型机器人将在理想世界中如何运用？它们将如何改进现有的技术？ 我以为我们首先看到的应用会出往常医学范畴。这是一个契合逻辑的停顿。我们曾经在运用越来越小的医疗设备和机器人中止手术；与其他技术相比，这样的医疗工具能够更深化你的身体，而且构成更小的创伤，好比能够深化大脑治疗动脉瘤或肃清血栓的导管。在未来，我们将继续看到该技术的进一步展开，但我们能把这些设备做得多小是有限制的。 应用先进的新资料，纳尔逊的实验室曾经开发出了微型的可遥控设备，它们能够依据磁场改动外形和“游泳”。应用这样的技术，有可能发明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，一个设备能够进入你的肺部，在癌症扩散之前发现并治疗它。或者治疗你在大脑深处、导管无法抵达的血凝块——简单的微型机器人有可能抵达梗塞的区域并辅佐疏浚它们。 这类任务听起来相当复杂。你需求人工智能来做这些工作吗？ 不，暂时不需求。我的意义是，目前将人工智能置入微型机器人是不可能的。关于那么小号的东西来说，它需求的计算量太大了。但假如我们能做到那个水平，就太酷了，而且我确信我们能够给它想出一些实践的用处，不外这超出了我的职业范围，而且可能在我有生之年都不会完成。 不外，需求留意的是，在这个问题里，我们实践上可能并不需求像人工智能那样强大的东西。你依旧能够运用简单的智能和自主决策来构建一个十分有用的微型机器人。假如你具有能够辨认环境变更，并以此改动其行为的微型设备，它们就能够做一些令人诧异的复杂事情。例如，提供化学疗法。假如一个微型机器人能够检测到肿瘤的pH值或温度梯度，它们能够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，但关于疾病检测和药物输送来说，依旧可能是极端有效的。作为一名工程师，我一直牢记这一目的：我能够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；它只需求完成工作。 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”中畅享了一个充溢微型机器的未来。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） 你以为微型机器人在不久的未来会被商业化运用吗?假如是的话，你以为我们这个目的还有多远? 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。往常我想说三年。固然依旧存在很多不肯定性，但时间线正在缩短。该范畴的其他人员正在以越来越小的范围制造电子器件，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。我们开端认识到我们能够直接在微型机器人上嵌入一些基本的计算元素。 问题是，它们最终需求多少计算量？它们将需求多少机载内存？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，微型机器人将是十分简单的。
作者David Levin是一位寓居在波士顿的自由撰稿科学作家。能够经过他的网站 www.davidlevineditorial.com与他联络。
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 版权声明 本文受权翻译自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是一家努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。 原文题目“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 欢送关注我们，投稿、受权等请联络 saixiansheng@zhishifenzi.com |
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