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編者按：本文由雷鋒網編譯自IEEE Spectrum，原文作者為意大利圣安娜高等學校機器人實驗室負責人、Octopus Integrating Project負責人Cecilia Laschi。
當我們實驗室的學生第一次讓章魚機器人下水時，我很緊張。那時，陽光照射在地中海的碧波上，我望著機器人慢慢沉入水底，根據指令做出游泳、爬行等動作。當我命令它進入甲板下的一片狹小的空間時，它靈活地收縮著身體，輕而易舉地鉆進那片窄窄的間隙。
迄今為止，人類已經創造了很多機器人，它們大多數在工廠中，根據指令協助人類完成工作。但是，機器人需要走出這些環境，去探索更非主流的地方，比如海底或火星表面。而要在這些地方發光發熱，機器人必須有一個靈活的身體，能夠根據不同的環境作出調整。
這樣一來，打造軟體機器人顯得格外重要。為了實現目標，我們將目光轉向了動物領域。動物適應性強，身體通常由軟體物質構成，身體組織可以隨著環境的變化而變化。
因此，我發起了“章魚綜合項目（Octopus Integrating Project）”，聯合歐洲、以色列等實驗室致力于章魚機器人的研究。
為什么要選擇章魚作為研究對象？
章魚沒有內外骨骼，其八只爪子能夠伸向四面八方，能緊緊地纏繞物體，能自由伸長或縮短、變軟或變硬。它非常靈活，能隨著環境的變化自如地變化著身體。
我們想要打造一款像章魚一樣靈活的機器人，首先，我們需要學習章魚爪的肌肉性靜水骨骼，它是章魚靈活身體的關鍵。在深究了章魚的生物特征之后，我們的難點就是如何將這些生物知識轉換為工程知識。我們雇傭了一位海洋生物學家來測量章魚爪，能根據此制作計算機模型，以此來指導我們的實驗。接著，我們開始試驗軟體發動機，來模仿動物肌肉。
要打造章魚肌肉，主要有四個方法。
方法之一，便是使用一種叫做“電子動力聚合物（EAP）的物質來打造人造肌肉，這種物質一層軟性材料，上下各有一個電極。當接上電流，EAP就變成了電容器，兩個電極便收緊，將中間的軟性材料擠到兩邊。歐洲的一支研究團隊現在已經打造出了EAP制作的人造肌肉。
方法之二是使用液體制動器，它能自由地設計形狀，靈活地安排電隔室，讓機器人手臂自由彎曲，作出更復雜的動作。
方法之三甚是有趣：用顆粒材料（如沙粒，甚至咖啡），而不是液體，來制造機器人手臂。這種方法也可以實現機器人的自由收縮和伸展。
而我們最感興趣的，是方法之四：使用一種叫做形狀記憶合金 （SMA）的物質來打造人造肌肉。當溫度升高時，SMA可以變成特定的形狀，它還會“記住”這種形狀。我們通過電流產生熱量來加熱SMA，讓它變成真正章魚的形狀。同時，它能“記住”各種不同的形狀，這樣就能實現彎曲、變短、身長、抓取物體等動作。
我們知道，要成功打造一只章魚機器人，并不是一件易事。但我們知道，如若成功，我們將會造福很多人。章魚機器人的用途很廣，它能幫助人類進行水下修理。當船底破損，修理將成為一件危險、困難、昂貴的事。這時，章魚機器人將能完美地解決這個問題。
同時，章魚擁有很高的智商。相比于其他的軟體動物，章魚的大腦和神經系統發展地更為完善，不過仍然有著自己的限制。因此，我們很驚訝它的八只爪子的獨立活動范圍能夠如此之大。因此，我們的下一個挑戰就是研究章魚如何控制爪子，這樣才能幫助我們打造高度靈活的章魚機器人。
生物學家已經發現：章魚的大腦并不會接受每一個微小的指令，它們大腦上的神經元比末梢區域系統的神經元要少得多。因此，生物學家相信章魚的大腦能夠對動作作出反應，而低端的動作中心能夠控制更加精確的神經肌肉活動。實驗顯示：即使你控制章魚大腦的神經元，它的爪子還是能夠隨著外界的刺激而作出反應。
我們還有一個更有趣的發現：章魚的四肢并不需要完整的指令來作出相應的活動。因為經過數百萬年的進化，章魚的身體已經能夠根據環境來作出對自己有利的反應。這種概念被機器人學家稱為“形態計算（ morphological computation）”，被人工智能研究者稱為“天生智能（embodied intelligence）”。
我們從中得到啟發：我們要設計出身體能夠自動根據環境反應、作出某些動作的機器人，這樣一來，極度簡單的指令也能夠讓機器人完成復雜的任務。
我們對海洋動物的動作進行了研究，并模仿它們的運動形式來設計章魚機器人。我們發現，海洋動物在控制每一個四肢的時候都經過了多個計算指令，這樣看來，我們的章魚機器人要控制八只爪子，需要作出大量的計算指令。對于一般的機器人來說，四肢的每一個自由動作需要一個制動器，但是我們的章魚機器人擁有自由來應用控制策略。
我們決定尊重章魚的進化特征，來打造不需要復雜控制指令的機器手臂。首先，我們制作了數學模型，來測試不同層面的手臂設計，包括運用材料的不同密度、堅硬度、形狀、人造肌肉的放置位置等等，所有這些因素需要結合水下的環境來具體問題具體分析。它們會根據水溫的變化作出何種反應？水深和水壓會影響到它們的活動嗎？洋流和漩渦會影響到它們嗎？為了解答這些問題，我們在模型中加入了流體動力學因素。
于是，我們進一步做了實驗。實驗結果非常令人欣喜：要控制章魚機器人非常簡單，我們能夠模仿真實海洋動物的活動方式來打造它。我們成功打造了一個章魚機器人原型，用電纜來取代SMA，用硅樹脂來打造章魚爪，每一只爪子中包含一支鋼制電纜，它能自動拉長或是縮短。爪子的每一個簡單動作都能提供能量。
在我們設計章魚機器人的過程中，我們進行了大量的成熟計算。但是當機器人真正開始行動時，我們發現它的構造其實很簡單：只有一只簡單的“大腦”（或是微型控制器）和八只爪子。它的每一個動作，都進行了形態學計算。
我們將原型叫做PoseiDrone，在它誕生之后，我們將它帶到了地中海，研究了它在完成每一個任務時的能力，例如一邊抓取著一個物體一邊爬行，或是在游泳的過程中突然張開爪子。我們非常驕傲它能克服海浪的侵擾，還能順利地完成任務。
Via:IEEE Spectrum
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