PRL速递：机器人模拟活性物质集群的群体行为涌现

导语

活性物质集群在自然界的各种尺度下广泛存在，包括菌落、细胞组织、蚁群、鱼群、羊群和鸟群等。2021年3月，重庆大学物理学院刘雳宇课题组与普林斯顿大学的研究人员在 Physical Review Letters 上合作发表论文，基于超大型LED屏作为可编程数字化虚拟环境平台，结合原创设计的环境耦合型机器人集群，为活性物质家族增加的一个新成员：机器人活性物质（Robotic Active Matter）。他们受到生态学启发，通过构建模拟该形式的机器人群落，探索机器人在环境中搜寻缓慢补充的资源的行为；随着资源消耗，机器人的运动方向不再是沿着最陡的局部资源梯度。这种涌现式的对称性破缺，最终会使群体呈现出类似气体、液体等的状态。

Michael Schirber | 作者

郭瑞东 | 译者

赵雨亭 | 审校

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Emergent field-driven robot swarm states

论文地址：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.108002

1. 通过机器人，研究群体行为

一群小型机器人可以模仿寻找食物的鹿或细菌。研究人员将这些机器人置于 LED 屏幕制成的地板上，LED 屏幕的光输出经过调整，以模拟可消耗资源的数量——例如鹿需要的草。一旦机器人“吃”尽了一个地方的资源，它们就会离开这片资源枯竭的地区。这种程序化的行为导致了机器人群体出现类似于液体、晶体和玻璃呈现出的临界行为。研究小组计划通过赋予机器人额外的特性来进一步探索机器人的自我组织，比如对特定颜色的光的偏好。

“活性物质”是指由许多可独立运动的元素组成的系统。生物学上的例子包括细菌群落和鸟类群落，研究人员试图用人工活性元素来模仿它们。在此之前，曾有研究人员使用机器人响应一些物理输入——如光或化学浓度的自推进的粒子——来进行一些探讨。但在一个真正的生态系统中，环境并不是固定的，而是随着生物体的活动而不断变化的。生物体必须适应它们在环境中诱发的变化。例如，细菌会消耗营养物质，从而改变周围环境中化学物质的浓度。普林斯顿大学的 Robert Austin 表示，本项研究中的机器人可以感觉到自己处于一个资源枯竭的地区，并且会朝着获取更多食物的方向前进。

设计生活在资源有限环境中的、计算机模拟的饥饿有机体是可行的。然而，Austin认为，模拟不能捕捉生物活性物质中呈现的集体行为或“涌现”行为。“生命体具有数字计算机无法模拟的复杂性。”Austin总结。他与重庆大学的刘雳宇及其他同事合作，设计了一个模拟实验，让以生物学为灵感的机器人探索并塑造它们的环境。

随着资源减少（光亮减少），机器人产生“涌现”行为

研究小组制作了一个8厘米宽的冰球形状的机器人，机器人的腹部下方装有轮子和光传感器。这些机器人按照程序被设定为对地面的光线做出反应，总是朝着更亮的光线的方向移动，同时该方向的亮度增加最快。研究人员将50个这样的机器人放置在一个4m × 4m 的 LED 灯板上，灯板的像素可以单独控制。每个机器人下面的光线在特定的空间区域和特定的时间段内变暗，模仿资源是如何被消耗以及后来如何恢复的。机器人对调暗的反应是向最明亮的方向滚动，然后它们的新位置被调暗。研究小组称机器人的梯度引导运动为“翘曲引擎”——因为它基于对机器人周围“资源空间”的扭曲。

2. 资源的消耗导致涌现出不同状态的群体行为

研究小组发现，机器人会被吸引到没有机器人的区域，那里“食物”更多；机器人彼此之间排斥。研究人员创造了一个被黑暗包围的环形光圈来探索这些相互作用的影响。一开始，光圈很大，机器人像气体中的原子一样随机移动。但是当研究人员通过缩小光圈的半径来缩小环境时，这些机器人聚集在一起形成了六边形的晶体结构，每个机器人被限制在一个由六个相邻机器人围绕的小块区域内。随着进一步缩小，枯竭的区域开始重叠，形成了一个均匀的资源分布。这种平滑的景象类似晶体“融化”成为液态，随之而来的是一种无序的、玻璃状的状态，该状态中，机器人彼此接触时，被锁定在一个位置。

图1：随着图中光圈的半径变小，机器人呈现出不同的状态，图中第一列描述环境变化如何导致机器人运动，第二列描述机器人的位置，第三类描述这些空间变化经过傅立叶变换后的情况

Austin解释说，这种自发行为在以前的活性物质实验中未曾发现。他希望通过升级机器人以揭示与生物相关的行为。为了达到这个目的，他的团队已经开始加入了颜色敏感性：一些机器人搜寻红光，而另一些机器人则消耗蓝光。这些颜色特征可以通过机器人复制的方式从一个机器人传递给另一个机器人。例如，研究人员认为这些携带基因的机器人可以为研究肿瘤细胞的发展提供帮助。“机器人活动物质是一片未开垦的土地，充满了潜力。”刘雳宇指出。

Bengaluru 科学研究所的活性物质物理学家 Sriram Ramaswamy 表示： “这项工作的新颖之处在于它巧妙而简单的实验实现，设计控制了资源吸收和再生的速度。”他认为该研究为进一步探索提供了许多潜在的方向，例如研究环境如何通过自身的相变来回应与生物群落的相互作用。

原文：https://physics.aps.org/articles/v14/38

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