Nature Communications杂志上的一篇文章表示，一种新型的被称为「可合并神经系统」机器人可以通过单个集中式控制器合并形成更大的整体，也可以通过独立的控制器分裂成单一个体，还能通过拆卸或更换故障的身体部位进行自我修复。对于模块化机器人来说，这又是一种进步。
Nature Communications杂志上的一篇文章表示，一种新型的被称为「可合并神经系统」机器人可以通过单个集中式控制器合并形成更大的整体，也可以通过独立的控制器分裂成单一个体，还能通过拆卸或更换故障的身体部位进行自我修复。对于模块化机器人来说，这又是一种进步。
编译 | 何典 藤子
来源 | IEEE
上个月，《自然通讯》（Nature Communications）杂志的一篇文章提出了架构在完全模块化机器人系统上的「可合并神经系统」的概念。
所谓模块化机器人，是一个由许多不同的模块组成的整体机器人系统，其中的一些模块可以被单独地控制或替代。这些系统通常都有一个大脑（一般是位于桌面上的计算机），它可以处理模块中的所有感官数据，然后给每个模块发号指令。同人类和大多数非模块化机器人不同，模块机器人形成一个神经系统，这个神经系统可以将信息传递给中央大脑。
虽然这种系统在研究环境中工作得很好，但是理想的模块化机器人应是更去中心化的，例如，任何单个模块都可以根据整体的需求，独立成为神经系统或大脑的一部分。来自里斯本、布鲁塞尔和瑞士的大学的 Nithin Mathews，Anders Lyhne Christensen，Rehan O'Grady，Francesco Mondada 和 Marco Dorigo 在《自然通讯》上提出了「可合并神经系统」的概念：
我们设计的这款机器人，它的身体和控制系统可以合并形成全新的机器人，而不失去原有的完整感觉控制。我们典范的控制系统可以使机器人能够展现超越任何现有机器或生物有机体的性能：我们提供的机器人可以通过单个集中式控制器合并形成更大的整体，也可以通过独立的控制器分裂成单一个体，还能通过拆卸或更换故障的身体部位进行自我修复。这项工作使我们向可以自主改变其尺寸，形式和功能的机器人又迈进了一步。
我们设计的这款机器人，它的身体和控制系统可以合并形成全新的机器人，而不失去原有的完整感觉控制。我们典范的控制系统可以使机器人能够展现超越任何现有机器或生物有机体的性能：我们提供的机器人可以通过单个集中式控制器合并形成更大的整体，也可以通过独立的控制器分裂成单一个体，还能通过拆卸或更换故障的身体部位进行自我修复。这项工作使我们向可以自主改变其尺寸，形式和功能的机器人又迈进了一步。
这项研究中使用的机器人是 Swarmanoids。过去它们被称为模块化机器人，然而在本文中，它们被称为「可并入神经系统（MNS）机器人」。单个 MNS 机器人可以由任意数量的 Swarmanoid 单位组成，根据目标 MNS 机器人可以分裂自己或和其他 MNS 机器人结合成一个整体。每个 MNS 机器人都有一个模块作为大脑，它不局限于特定的模块，而且可以随机器人的物理结构移动、分离或组合。
使用一个模块作为大脑，其余的机器人模块（无论其配置）就构成该大脑的神经系统。远离大脑的模块会收集传感器数据，将其传递给父模块，进行进一步的综合提炼。大脑模块会进行所有的高级决策，并将其传递给各个执行器模块。
不同于大多数模块化机器人，这种能力使得 MNS 机器人异常灵活。通过这样，不用担心单个大脑模块出现故障，只要有足够的通用模块，就可以将机器人群体改造成所需数量的配置，这很轻松就能弥补可能发生的物理损害带来的危害。
因此，MNS 机器人具有超越任何现有机器或生物有机体的能力：MNS 机器人可以分裂成多个具有独立大脑的自主机器人，也可以合并具有不同能力的机器人单元，还能通过去除或更换身体部位（包括脑功能异常）进行自我修复。
本文的第一作者，布鲁塞尔自由大学博士研究生和位于瑞士的软件公司 Netcetera 的软件工程师 Nithin Mathews 表示，将机器人的中央处理单元物理连接到其传感器和执行器的感应运动系统可以被看作是机器人神经系统，与具有单个大脑控制其身体的较高阶动物的生物神经系统非常相似（至少在概念水平上）。
「今天大多数的机器人，其神经系统的结构在设计时就被指定，并且在其生命周期中保持不变。」Nithin Mathews 说，「想象一下，当你接触某人的身体，你们可以互相感知，能够控制对方的身体就像控制自己的一样。你会看到他们看到什么，听到他们听到的，还能移动他们的肢体。」
这样的壮举对人和所有的自然生物都是不可能实现的。然而科幻作品中，已经出现过合并身体的概念。Mathews 用 2009 年詹姆斯·卡梅伦的电影《阿凡达》举例，在这部电影中，一个似马生物（名为 direhorse），当它用突出的神经接触 Na'vi 骑士，它就成为其身体的延伸。骑士利用这个神经键可以毫不费力地向它的大脑直接传达运动命令。与此同时，动物的感觉信息包括痛觉也会立马传递给骑士。简而言之，这就是我们试图在机器人世界中实现的。
而对于可合并神经系统机器人来说，即使机器人的物理结构发生变化（例如要处理新的任务），MNS 机器人的控制系统也不需要在运行时调整。通过初始部署 MNS 机器人可以自发地借用仅在对等机器人才可用的物理特征，这类似于《阿凡达》电影中 Na'vi 骑士借用 direhorse 的运动能力。
「我们能够展示的另一个非常有用的功能是 MNS 机器人能够通过调用自我修复程序来检测和响应硬件故障。理论上，只要有足够的备用单元和能量，MNS 机器人就不可能出现软硬件的故障。」Nithin Mathews 表示。
而当一个 MNS 机器人分裂时或两个 MNS 机器人合并时，Mathews 说：「当分裂发生，意味着现有的机构分成一个或多个单独的部分时，MNS 机器人能够立即在每个新部件中创建新的脑部。这些部件拥有适应于其身体的神经系统，能够独立执行全部的功能。
当两个 MNS 机器人合并，两个大脑单元或两个决策实体需要集成到单个机构中。想象一下，你和四个朋友手握着手，试图朝着一个移动的目标前进。这会是凌乱的，因为有四个独立的实体需要做出协调的决策。然而，MNS 机器人能够在技术层面解决这个问题，单一部件能够无缝地服从大脑单元的指令，也可以在必要时脱离控制。」
Mathews 指出，物理上彼此协作的机器人有理想的应用前景。它可以是在人体内部的纳米机器人，也可以是在外星球工作的机器人。想象一下一个在火星上操作的高级版本的类人机器人，可以实现身体和飞行器的协调运行。
「机器人合并神经系统在未来还有很长的路要走。我们接下来的工作重点是把二维平面的移动拓展到三维空间中。为此，我们需要考虑各个机器人之间物理连接的其他方式。我们同样还将研究其他形式的运动，比如独立机器人在三维空间中联合力量，执行双足步行、爬行、攀爬和滚动等行为，以克服环境中的障碍。」Mathews 总结道。
模块化机器人的优点在于可以将机器人组成任何大小、任何配置的机器人，有利于重新修复和装配。在模块化机器人方面，著名的还有麻省理工学院的媒体实验室研发的一种蛇形机器人 ChainFORM。每个单元模块都是一个小型机器人，可以自行变形、活动和组合，还可以通过软件设定实现与电脑、手机之间的互动，也可以拼装成机械手、可穿戴的智能设备等。不过因为电池和供电电流的限制，ChainFORM 最多可以支持 33 个模块组成长链。
每个 ChainFORM 模块有多个表面上的触摸检测、角度检测、闪烁灯、通过单个伺服电机的电机驱动。ChainFORM 模块机器人中设置有通信模块，可以让模块机器人彼此相互连接，该通信系统允许或实时输入和输出，这将让每个模块可以知道它与其他模块的相对位置，有助于模块根据需要自适应地改变其功能。
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