科幻小說有時確實能做到。將大量微型機器人組合成一個智慧有機體的想法，長期以來一直是集體想像的基石。如今，一個國際科學家團隊將這一願景轉化為具體的科學模型，並在《物理評論X》上發表了一項研究，該研究或將重新定義機器人技術、醫學和環境修復的界限。他們設計了受蝙蝠和鯨魚啟發的微型機器人，利用聲音進行溝通、協調，甚至自我修復。
其結果是一個展現出集體智慧的系統，其整體遠大於其簡單部分之和。畢竟，對於任何觀察複雜系統的人來說，這應該不是什麼新鮮概念。
從化學到聲音：一次量子飛躍
到目前為止，協調「 活性物質」（粒子或自推進機器人）群體主要依賴化學訊號。這是一種有效的方法，但它有兩個主要限制：速度慢，因為它依賴分子的擴散；而且距離短。簡而言之，這就像用步行信使協調一支軍隊。
這項研究的真正突破在於聲波的使用。聲音傳播速度更快，傳播距離更遠，能量損失更少。每個微型機器人都配備了一個微型「揚聲器」和一個「麥克風」。透過遵循兩個極其簡單的規則，群體得以活躍起來：
- 朝聲音最大的方向移動：機器人會被集體蜂鳴聲最大的區域所吸引。
- 同步您的發射：每個機器人都會調整其聲音的頻率以適應其從其他機器人群體感知到的聲音頻率。
從這兩個基本指令出發，無需任何中央計算機或指定的領導者，就能產生複雜而協調的行為，非常類似於生物體。
主動物質進行聲學通訊。 （a）自驅動、極化排列的群體示意圖。箭頭表示群體移動方向，𝒏𝑙。 （b）單一群體擁有一個控制其聲發射的內部振盪器。反過來，它們的振盪狀態可以透過聲場同步。 （c）群體向具有聲學敏感度的更高聲振幅方向排列。摘自《物理評論 X》
機器人「物種」：科技寓言集
該系統的精妙之處在於，根據單個機器人的速度或對聲音的敏感度等參數，群體能夠自組織成不同的“表型”，每個表型都有各自的形態和特定行為。這幾乎就像矽片中的趨同演化。
以下是模擬中觀察到的主要機器人「生命形式」：
- Blob ：一種局部穩定的結構，機器人朝向中心，充當“起搏器”，發出同心聲波。非常適合固定任務。
Blob 狀態描述
- 幼蟲：一種細長的形狀，緩慢但持續地移動。其運動是由內部起搏器位置的不對稱引起的。
- Snake ：一種快速、定向的機器人集群，所有機器人都排列整齊，行動一致。它沒有內建節奏產生器，相位波從頭部傳播到尾部。非常適合快速探索。
湧現函數，透過集體智慧從混亂中產生
- 銜尾蛇：本質上是一種“幼蟲”，它會自我閉合，形成一個旋轉的環。這是一種佔據特定空間的穩定結構。
- Volvox ：一種令人著迷的「嵌合體」狀態，其核心由完美同步的機器人組成，外層則由混亂、不同步的代理所包圍。
新興能力：從感知到自我修復
這就是該模型真正令人印象深刻的地方。這些群體不僅以協調的方式移動，也發展出更高層次的功能。
- 集體感知：群體能夠「感知」周圍環境。透過發射聲波並分析外部物體（例如生物聲納）反射的迴聲，群體能夠感知到自身存在並做出相應反應，例如從「幼蟲」（移動）變為「集群」（靜止），或分散開來。
- 韌性與自我修復：這些並非脆弱的機器。 「蛇」群可以穿過狹窄的縫隙，變形並在另一側重新組裝。 「幼蟲」的頭部（產生運動節奏的區域）被「切斷」後，能夠再生，恢復其全部功能。這種自我修復能力是生命系統的標誌。
- 外部控制：由於這些蜂群是基於聲音，因此是可控的。外部聲束可以用來「捕獲」蜂群，將其運送到指定位置，然後釋放，就像牧羊人用哨子引導羊群一樣。
總而言之，這項研究不僅帶來了更聰明的機器人，更提出了一種全新的設計原則。它表明，複雜性、智慧性和穩健性可以從最簡單的要素——運動和聲學通訊——中產生。從人體標靶給藥到難以接近的污染場地的修復，其應用範圍廣泛且具有革命性，甚至可以用於尚未發現的功能。
問題與解答（FAQ）
1. 這些機器人如何在沒有中央大腦的情況下「決定」做什麼？沒有意識的「決定」。群體智能是湧現的，這意味著它基於非常簡單的規則，自發性地從局部互動中產生。每個機器人對群體的整體狀態一無所知；它只是朝著聲音最大的方向移動，並同步其頻率。複雜的協調行為，例如「蛇形」的形成或自我修復，是這兩個動作共同作用的結果，由群體的所有成員重複執行。
2. 這些是真實的實體機器人還是電腦模擬？這項研究基於計算模型和模擬，尚未基於實體機器人。然而，該模型的設計旨在實現物理上的現實，並定義了控制真實微型機器人的基本原則。這項研究為建構實體集群提供了「藍圖」和「方案」。未來的挑戰將涉及將必要的硬體（馬達、麥克風、揚聲器）小型化，以便在微觀尺度上實現這些原理。
3. 這項技術最有前景的實際應用是什麼？潛力大。在醫學領域，成群的微型機器人可以引導血液循環，將藥物直接輸送到腫瘤，盡量減少副作用。在環境領域，它們可以用來清理漏油或中和偏遠地區的污染物。它們還可以在惡劣環境中充當先進的傳感器，探測災區或工業管道，重新配置自身以克服障礙，即使部分機器人集群被摧毀也能繼續工作。
文章《 互相交談的微型機器人：集體聲學智能的誕生》來自Scenari Economici 。
這是在 Thu, 16 Oct 2025 11:00:25 +0000 在 https://scenarieconomici.it/i-microrobot-che-si-parlano-nasce-lintelligenza-collettiva-acustica/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。