你也許見過會走路、會翻跟頭的機器人,但它們背后幾乎都離不開芯片和程序代碼。但如果我告訴你,有一臺機器人,它的“計算”不是靠電路,而是靠振動,你信嗎?
天津大學機械工程學院的研究團隊,近日在《自然通訊》(Nature Communications) 上發表了一項最新成果。他們造了一臺超材料機器人,它沒有傳統的處理器,卻能用彈性波完成微積分、邏輯運算,甚至根據計算結果自主轉向和爬行。
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01.
什么是超材料機器人?
超材料是一類人工設計的結構材料。它的特殊之處在于,材料的性能不只看成分,更看排列方式。換句話說,超材料的神奇之處在于,科學家可以通過設計微小的單元結構,比如特定形狀的金屬環、彈簧-質量系統、蜂窩狀格子等,讓整個材料表現出自然界中不存在的物理特性。
在這項研究中,機器人身體由一排六邊形模塊組成,模塊之間用彈簧片連接。底部設計了鋸齒狀的支腳,前后摩擦力不同,這為后續的運動奠定了基礎。
關鍵的設計是,機器人的身體被分成了三個功能區域,類似于一臺機械版的傅里葉光學計算機。第一個區域對輸入的振動波做“傅里葉變換”,可以理解為把一段復雜的振動,拆解成不同頻率的成分;第二個區域執行具體的計算,比如微分、積分;第三個區域再做一次逆變換,把修改后的頻率成分翻譯回原來的振動波形,輸出結果。
而這個輸出波形在機器人身體上的分布是不均勻的。有的地方振動強,有的地方弱。機器人的鋸齒狀支腳對不同方向摩擦力的響應不同,于是振動強的那一側就會走得更快或更慢,機器人就會轉向或直行。
值得注意的是,整個過程不需要任何電子芯片,完全是機械結構自己在“算”。
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超材料機器人及其組件的示意圖和實驗模型
02.
它真的會“算數”嗎?
會,而且算的還不止一種。
研究人員展示了多種模擬計算功能。比如,通過調整中間層的質量分布,機器人可以對輸入的波形做一階微分或一階積分。理論上,它還能做卷積、解積分-微分方程。
更讓人意外的是,這臺純機械裝置還能實現數字邏輯。
他們把“有信號”當作二進制“1”,“無信號”當作“0”,用同一套結構實現了 AND(與)、OR(或)、XOR(異或) 邏輯門。這意味著,它可以執行二進制運算,雖然不是電子計算機的速度,但原理上是完備的。
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研究中最吸引人的,是他們用機械波模擬了類量子態的矩陣運算。
他們把兩路信號當成一組“狀態對”來處理,也就是把兩個信號看作一個組合,類似00、01、10、11這樣。然后,利用雙縫干涉、衍射這些經典的波動現象,在機械結構里完成了矩陣乘法。
換句話說,這臺機器人可以在機械層面完成2×2 或 4×4 的矩陣乘法,這是很多信息處理任務的基礎。
不過,論文特別強調,這只是一種數學上的類比,與真正的量子計算無關。
03.
一次輸入,多個任務并行
傳統計算設備一次只能做一件事。但這項研究展示了一個有意思的特性:非線性諧波。
當輸入一個基礎頻率的振動時,由于材料的非線性,系統會自動產生倍頻和分頻成分。簡單說就是,一個輸入,自動附帶多個不同頻率的成分。
有意思的是,這些不同頻率的波在同一個身體里傳播時,計算規則是不一樣。也就是說,同一個輸入,不同頻率的波在“算”不同的東西。
但多件事一起算,輸出是混在一起的,怎么辦?
機器人后端加了一層周期性濾波層,它的作用相當于一個頻率篩選器。論文描述了兩種工作模式:一種是讓所有頻率都通過,實現多任務并行輸出;另一種是只保留特定頻率,甚至可以將不同諧波的計算結果翻譯到同一頻率上,方便后續處理。
這相當于在同一臺硬件上,實現了頻域上的并行計算。
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04.
能直行、轉彎、追目標
論文中最扎實的部分,是大量的機器人爬行實驗。研究人員用激光振動儀測量不同位置的振動幅值,然后觀察機器人如何運動。
結果很驚喜!
當輸出波形對稱時,機器人直行;當波形偏向左或右側時,機器人會相應轉向;他們甚至演示了目標追蹤:輸入信號隨目標位置變化,機器人通過微分運算自動調整方向,實現負反饋跟蹤。
在更復雜的路徑測試中,這臺機器人完成了90度直角彎、C形彎、銳角/鈍角轉彎,并成功繞過多個障礙物從起點走到終點。它還展示了負重、跨越縫隙、爬坡等能力。
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機器人爬行實驗演示
所有這些行為,都沒有用到任何電子控制,全部由機械波的計算結果直接驅動。
05.
未來與結語
這個新的發明并非要取代現在的計算機或機器人。它的價值在于提出了一種不同的可能性——智能不一定非要用芯片實現。在高溫、強輻射、需要長期免維護的場景等特殊環境下,電子設備可能失效。這時候,一臺純機械的、會算數的機器人,或許就是一個值得嘗試的解決方案。
當然,這項研究還處在實驗室階段。它的計算精度、速度、可擴展性都還有很大提升空間。但它的思路很有意思,把計算編織進材料本身,讓身體成為大腦。這也許就是具身智能的一個生動注腳。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-026-71368-1
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