崭露头角的机器人建筑工

李忠东

添砖加瓦盖房忙

2014年2月13-17日，美国科学促进会（The American Association for the Advancement of Science，AAAS）在芝加哥举行了2014年年会。期间，美国哈佛大学工程和应用科学学院携手维斯生物工程研究所，向大家展示了一种能够自组织的小型机器人建筑工——“白蚁”（TERMES）。这是由哈佛大学贾斯汀·韦尔弗（Justin Werfel）教授主导的科研项目成果，整个研发过程历时4年之久。

这种机器人建筑工如中型遥控玩具车一般大小，有4个轮子，装有若干探测器和用于举起建筑构件的装置。TERMES依靠红外和超声波传感器的信号引导，能够在无人监督或者指导的情况下，用由轻型泡沫制造的建筑砖，自行建造包括高塔、城堡和金字塔等在内的复杂三维结构。在整个建造过程中，TERMES无需使用任何详细的图纸。此外，它们还会选择合理的行动路线，保证事半功倍。

在演示过程中，科学家让TERMES现场建筑一座城堡，这一过程让在场所有的观众都瞠目结舌。只见它们前后左右移动，到指定位置拿取积木一样的“砖块”，像白蚁建造蚁丘那样在没有总体设计和统一管理的情况下，根据探测到的环境和预设逻辑规则把“砖块”放到某个位置。在已放有“砖块”的地方，TERMES会熟练地爬上一层“砖块”再进行垒放，如此层层叠加。实际上，并没有任何一个程序告诉它们在建造的是什么，对于这些机器人来说，它们只需要像我们遵守交通规则一样按部就班，就能顺利完成任务。即便在建造过程中有任意一位成员出现了故障，也不会影响工程的整体进度。当然，TERMES也不会将自己困在建筑框架内。虽然机器人建筑工的建造进度较慢，但每一位TERMES都能进行自我保护，有效识别危险地带，将工伤发生的可能性降至最低。

虽然TERMES机器人建筑工的个头很小，长度只有15厘米，但它们所表现出来的建筑能力已经给人们留下了深刻印象。

学习白蚁造蚁巢

我们从这种机器人的命名上就不难发现，科学家的灵感来自于白蚁，他们正是从白蚁打造蚁巢中受到了启发。

白蚁是巢居生活的昆虫，蚁巢是它们的大本营。这种昆虫的建造能力非常惊人，是动物世界里的优秀建筑师。有些白蚁巢在地上筑垄高达9米，基部直径可达20～30米，有的巢筑在地下，也有的筑在墙壁里或树木中。数百万只白蚁携手合作，能够“盖起”几十万立方厘米的白蚁巢。

令科学家赞叹不已的是，白蚁在建筑过程中根本不需要详细的建筑蓝图，它们只依靠从同伴那儿收集到的信息，便能完成整个建造过程。在构筑蚁巢时，白蚁不会像人类盖房子那样有一个“总设计师”，它们遵循复杂的计划或中央大脑发出的操作指示，接受统一管理。单只白蚁都会根据周围环境自行决定如何行动，自发、独立地构建复杂的结构。

这种集体行动看似缺乏统管，但最终往往能建成高质量的巨大白蚁巢。每一个白蚁巢内还建有复杂的通道、竖井和空气调节系统，使巢内温度常年保持在适合白蚁生存的幅度内。

由此可见，白蚁巢不仅能够保护白蚁群体免遭外敌侵害，而且还能提供一个适于白蚁生活的稳定环境。

“通过对白蚁的观察，我们发现，它们能够以群体的形式完成非常复杂的工作，根本不需要监督。”哈佛大学的计算机学教授拉德希卡·纳格帕尔（Radhika Nagpal）指出，“它们在协同工作的过程中，彼此无需进行讨论，这使我们深感震惊。”

在人类的建筑过程中，一般会采用等级系统进行工作：一位负责人带领一些技术工人，按照一份详细的计划施工。而在白蚁王国，蚁王并不会向每个蚁民发号施令，每只白蚁并不知道其他同伴在做什么，也不知道蚁巢目前的建筑进度。

以往的机器人，都是按照人类的思维模式研发的——需要控制者，或者至少需要类似领队的角色，组织机器人进行活动。但此次哈佛大学的研发人员却打破常规，学习白蚁的行动模式，以此研发的TERMES机器人建筑工根本不需要所谓的领导者。科学家将程序植入芯片中，让它们能够如白蚁般，凭借“本能”自行完成建筑任务。而且，从理论上来说，为一个建筑项目服务的机器人数量可以是无限的。因此，如果用TERMES来完成建筑任务，那么人们就不需要再耗费资源去进行协调活动。

大显身手挑重担

作为TERMES机器人建筑工的早期研发者，韦尔弗和纳格帕尔等研究人员为它们设计了最基础的芯片算法。起初，只有3个TERMES可以用与白蚁类似的行动方式来建造物体。

为了确保在没有刻意规划的情况下，每个TERMES个体都能自主进行建造，科学家创建了两种类型的规则：一种是使它们彼此之间不受阻碍的交通规则，另一种是可以打造它们想要的任何结构的建造规则。具体来说，建造的法规就是什么时候放置砖块是基于该地是否已有砖块，或者什么时候要按照结构向上垒砖，以及何时放置第一级砖块。

按照科学家的设想，用户在确定了想要的建筑结构后，TERMES就会依照规则自动开始实施建造工作。依靠7个红外传感器，它们可以检测到不同颜色的砖块;利用声波导航，它们可以探测到周围是否有其他机器人存在，并与周围建筑物保持安全距离。一旦感应到砖块时，它们便会将其拿起并放在建筑物上。通过编程，科学家能够保证 TERMES沿着一个网格移动。另外，他们设置的一些“交通规则”可以引导机器人正确移动，并合理放置砖块。

在科学家看来，只要执行简单的规则，通过个体工作协调，TERMES就能建造一些复杂的结构。不论是只有5个 TERMES，还是有500个 TERMES，都能以这种方式工作（区别只在于建造进度的快慢）。缺少其中任何一个都不会影响工程进度，建筑规模也容易扩展。

与其他机器人相比，TERMES机器人建筑工的最大不同是不需要集中控制，也不需要相互交流的复杂系统。它们各自都有一套机轮以及一只搬运手臂，手臂前端带有一个装备弹簧的钳子。研究人员表示，如果在特殊情况下，某个工程项目需要监控者的话，那么对系统稍作改进，添加一名中央控制员也非常简单。

韦尔弗指出：“虽然现在研发的 TERMES还处于‘摆弄积木’的初级阶段，但它们将来可能会在很多地方都有用武之地。尽管实现这一目标还需要很长时间，但在目前，它们已经完全能够胜任用沙袋建造防洪堤坝等简单任务。”

我们不妨大胆设想，一旦TERMES机器人建筑工这项技术成熟并广泛投入运用，那么未来类似的自治机器人完全可用于建造供人类居住的建筑——它们能在重建灾区中大显身手，也可在水下建造人类栖息地，或是被我们派往月球建设基地，甚至有望到火星等人类难以涉足的地方进行前期建设……