Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

在自然界中，运动往往感觉像是身体与环境之间的一场对话。像蠕虫在土壤中爬行或昆虫在叶片上穿行，它们并不依赖于单一的中央大脑来发出每一条指令。相反，这些生物利用分布在身体各处的神经网络，使不同的节段能够在保持协调节奏的同时，对局部条件做出反应。这种被称为“中枢模式发生器”的生物策略赋予了生命韧性与适应力；如果系统的某一部分受到干扰，其余部分通常可以在无需顶层指令的情况下进行调整。软体机器人领域致力于使用柔韧、顺应性材料而非刚性金属和塑料来制造机器，该领域长期以来一直试图复制这种去中心化的智能。然而，如今大多数软体机器人仍依赖笨重的外部泵和复杂的电子控制器来告知它们何时移动，这限制了它们在偏远或脆弱环境中独立运行的能力。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过创造一种模仿自然原理但无需任何数字电子设备的软体机器人，在解决这一问题方面迈出了重要一步。他们开发了一种被称为“气动神经元”的新型软体模块，该模块作为一个自包含单元，能够同时进行感知、思考和行动。通过将这些模块连接成一个环，团队创建了一个能够产生自身律动波动的系统，非常类似于蠕虫的神经系统。机器通过其节段的膨胀与收缩形成一个行进波来进行移动，这完全是由热量和压力的物理特性驱动，而非由计算机程序驱动。这种方法使机器人能够通过对周围环境做出反应，从而调整其运动以适应温度或物理负荷的变化，为制造像它们所模仿的生物一样强健且自主的机器开辟了新路径。

这项发明的核心是一个填充了低沸点特殊液体的微型软体囊袋。在每个囊袋内部，都放置着一个微型加热器和一个由柔性塑料制成的机械开关。当电流流向加热器时，囊袋内的液体转化为气体，导致囊袋膨胀。这种膨胀不仅是一种运动，也是一种信号。随着囊袋膨胀，它会挤压内部的机械开关。该开关设计有两个不同的阈值：一个是在切断前一个模块电源的低点，另一个是在向下一模块线路发送电源的高点。这创造了一个研究人员称之为“膨胀并触发”的循环。模块膨胀，触发其邻居，然后冷却，使气体重新变为液体，从而让循环可以重新开始。由于液体在极低温度下即可沸腾，因此该系统可以以极低的能量运行；又因为开关是机械式的，所以不需要微芯片或软件即可运行。

为了测试这些独立的模块是否可以协同工作以产生复杂的运动，研究人员将它们连接成一个环。他们发现，为了让系统产生稳定、重复的运动波，模块需要执行三个特定动作：它们必须激发下一个模块，抑制前一个模块，并保持自身的某种状态直到下一个模块准备好接管。如果没有这三种行为中的任何一种，系统要么会卡在单一的膨胀状态，要么信号会在环绕一周前消失。当团队构建一个仅由三个模块组成的环时，它成功地产生了一个连续的行进波。在任何给定时刻，三个模块中有两个处于活跃且温暖的状态，将信号无缝地传递下去。这种“双热”状态使得机器人只要有电源就能无限期地维持其节奏，证明了该网络可以在没有中央大脑的情况下实现自我组织。

该系统的真正力量在于其适应物理世界的能力。研究人员通过在特定模块上增加重量以及改变环境温度来测试机器人。当他们在机器人上放置重物时，增加的压力使机械开关触发得更早，但重量也使得模块更难回缩。这改变了波动的时机，减慢了机器人的速度，但并未停止它。机器人只是调整了自己的步调以匹配新的负载。同样，当他们在冷冻机中冷却机器人时，波纹变慢并最终停止，因为液体无法足够快地沸腾。当他们在热板上加热它时，模块会自发膨胀，系统进入了另一种状态，即停止振荡并保持静态形状。这些实验表明，机器人的行为并非由预先编写的代码固定，而是直接从机器人的材料属性与环境之间的相互作用中产生。

当研究人员将环形结构物理切断时，展示了该系统最令人惊叹的韧性。在传统的机器人中，切断控制线会导致整个机器失效。而在这里，当团队将六模块环切割成两个独立的三个模块环时，两半部分立即开始各自振荡。其中一半继续其波纹运动，而另一半在经过短暂的人工重启后，也找到了自己的节奏。系统不需要重新编程或重新布线；仅仅是切断连接的行为就允许这两个新环形成各自独立的模式。这表明，这些气动神经元可以用于构建能够抵御损坏的机器人，如果被撕裂，它们可以像某些能再生失去肢体的动物一样，分裂成更小的功能单元。

研究人员还为模块安装了小型L型腿，以观察机器人是否能在表面移动。随着模块在行进波中膨胀和收缩，腿部在膨胀时抓紧地面，在收缩时滑动，从而产生类似于蚯蚓的爬行运动。机器人在六个周期内向前移动了约25毫米，其速度取决于液体沸腾和冷却的时间。虽然与机械机器人相比这很慢，但研究人员指出，速度是所选材料的特性，而非架构本身的特性。通过改变流体或加热器，可以在不改变系统基本逻辑的情况下调整时序。这种无需外部泵或电子控制器即可产生位移的能力，为那些无法携带沉重设备的场所（如深层地下或太空）中的机器人应用开启了可能性。

这项工作代表了软体机器人设计理念的一种转变——从“由独立计算机控制的机器”转向“身体本身即是计算机”的机器。通过将运动逻辑直接嵌入到材料和执行器的物理特性中，研究人员创造了一个本质上具有模块化和鲁棒性的系统。机器人不需要“知道”它在哪里或环境是什么样子的；它只是对周围的热量、压力和连接做出反应。尽管仍面临挑战，例如寻找能承受更高温度以实现更快运动的材料，但气动神经元提供了一个全新的范式。它预示着一个未来，在那里的机器可以像启发它们的生物一样灵活且自给自足，通过膨胀与触发这种简单而优雅的物理过程，在复杂的世界中穿行。