新型超材料學(xué)會(huì)改變形狀、調(diào)整行為，像生命系統(tǒng)一樣運(yùn)動(dòng)

新型超材料無(wú)需中央大腦即可學(xué)會(huì)改變形狀、適應(yīng)環(huán)境并移動(dòng)，模擬生命系統(tǒng)特征。

阿姆斯特丹大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一類新型超材料，能夠在沒(méi)有中央控制器的情況下學(xué)會(huì)改變形狀、調(diào)整行為，甚至自主移動(dòng)。與傳統(tǒng)材料在外力作用下產(chǎn)生固定反應(yīng)不同，這些工程系統(tǒng)的行為更接近生命物質(zhì)。它們能根據(jù)過(guò)往相互作用調(diào)整反應(yīng)方式，從而完成通常需要編程機(jī)器人才能執(zhí)行的任務(wù)。

該材料由一系列相同的電動(dòng)鉸鏈通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)連接而成。每個(gè)鉸鏈都內(nèi)置微控制器，可追蹤自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并與相鄰單元通信。這種分布式架構(gòu)使材料能夠通過(guò)局部協(xié)同控制整體行為，而非依賴單一控制系統(tǒng)。隨著時(shí)間推移，該結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)整每個(gè)鉸鏈的運(yùn)動(dòng)和相互作用方式，逐步習(xí)得對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)模式。

材料的學(xué)習(xí)與適應(yīng)機(jī)制

超材料通過(guò)重復(fù)交互完成訓(xùn)練。研究人員彎曲特定鉸鏈作為輸入信號(hào)，同時(shí)引導(dǎo)其他鉸鏈進(jìn)入目標(biāo)形態(tài)。每次訓(xùn)練周期中，系統(tǒng)都會(huì)更新各鉸鏈?zhǔn)┘拥淖饔昧ΑＷ罱K，材料學(xué)會(huì)在感知到相同輸入信號(hào)時(shí)，自主復(fù)現(xiàn)訓(xùn)練目標(biāo)形態(tài)。它既能遺忘舊形態(tài)學(xué)習(xí)新配置，也可存儲(chǔ)多種形態(tài)并隨時(shí)切換。

"研究中最為振奮人心的發(fā)現(xiàn)是，學(xué)習(xí)能力賦予超材料進(jìn)化特性——系統(tǒng)一旦開(kāi)始學(xué)習(xí)，其演化方向便呈現(xiàn)近乎無(wú)限的可能性。"論文作者杜堯表示。這種無(wú)需中央控制的自主行為進(jìn)化能力，標(biāo)志著材料研究從可編程物質(zhì)向?qū)崟r(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)的跨越。該體系還揭示了：即使由簡(jiǎn)單組件協(xié)同工作，也可能涌現(xiàn)出智能，而非依賴復(fù)雜的中央處理。

無(wú)腦系統(tǒng)的智能涌現(xiàn)

此類材料可完成抓取物體或表面移動(dòng)等類似簡(jiǎn)單生命體的任務(wù)。早期同類系統(tǒng)雖能運(yùn)動(dòng)，卻缺乏學(xué)習(xí)適應(yīng)能力。

各鉸鏈基于局部信息施加扭矩，動(dòng)態(tài)調(diào)整剛度和預(yù)設(shè)位置，使整條鏈能根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組。研究人員表示，下一步將突破靜態(tài)形態(tài)限制，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化的行為模式，例如在爬行與滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式間切換。"未來(lái)我們將致力于實(shí)現(xiàn)時(shí)間依賴性行為的學(xué)習(xí)，而非僅改變靜態(tài)形態(tài)。"杜堯補(bǔ)充道。研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃探索系統(tǒng)在不確定環(huán)境中的表現(xiàn)，即在存在噪聲干擾的條件下進(jìn)行學(xué)習(xí)，使反應(yīng)機(jī)制呈現(xiàn)概率性特征。

這項(xiàng)研究反映了學(xué)界對(duì)融合物理結(jié)構(gòu)與自適應(yīng)智能材料日益增長(zhǎng)的興趣，可能為機(jī)器人技術(shù)、軟體機(jī)械和響應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)辟新路徑。

相關(guān)研究已發(fā)表于《自然·物理學(xué)》期刊。

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