沒有芯片的超材料機器人，靠“振動”計算，用“身體”走路

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。

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”。

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。

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。

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。

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