時值午后，我實驗室里的一位研究生第一次將我們的機器人投入水中。我緊張地看著我們的電子作品沉入海浪之下。機器人沒有令我們失望：我們發出游泳的命令后，它用水充滿其可擴張的外罩，然后向外噴水前行；我們命令它緩行時，它用力地依次活動8肢，推動自己沿著底部的泥沙和散落的暗礁行進；我們指示它探索碼頭下面的狹窄空間時，它輕而易舉地將柔軟的身軀伸進狹窄的縫隙。

作為意大利比薩圣安娜高等學校仿生機器人研究所的教授，我帶領了一個團隊研究軟體機器人。我選擇構建仿生章魚機器人有兩個原因。首先，章魚機器人非常適合展示隨需彎曲和擠壓能力的優勢。此外，這也是一個非常好的工程挑戰：一個章魚機器人有8個搖擺肢，它們必須協同面對水中各種復雜的力，這一點很難設計和控制。

在研究過程中，我們的團隊希望從根本上反思機器人理論和技術。更關鍵的是，我們試圖發展機器人操作的新策略，使機器人可以在任何方向隨意卷曲肢體，這是難以控制的。為了解決這些難題，我們從自然界中的生物——章魚身上獲取靈感。 

長久以來，機器人主要用于工廠，其剛性肢體適合執行手頭的重復性任務并滿足所需的精確度。然而，機器人專家現在想將他們的創造物用于傳統機器人難以處理的、更難預測的環境。還有一些研究人員正集中精力研究不會傷害他人的軟體機器人。為實現這些目標，機器人研究人員不斷研究各種動物。這就是為什么我協助啟動了章魚集成項目。歐洲和以色列幾所大學的實驗室自2009年開始就該項目展開合作。聯合團隊的一些成員先前曾參與過將“章魚肢體”置于坦克式機器人上的項目，現在他們熱切地加入到模仿章魚其他卓越能力的新任務當中。當然，我們知道這并不容易。

章魚沒有內外部骨骼，8肢可以隨意彎曲、伸長、縮短和用力。它可以靈活地卷曲肢體勾住目標進行任意動作，章魚要依靠這種靈巧性才能在野外生存。

我們首先研究了章魚肢體的肌肉性靜水骨骼結構，這種結構能在保持肢體總體積不變的同時，使個別肌肉收縮并改變形狀。為了將生物學現象轉化為工程學研究，我們與海洋生物學家合作測量了章魚肢體，并制作出能夠為我們的設計提供信息的計算機模型。然后我們開始實驗如何制作出可以模仿章魚肌肉的軟執行器。

一種方法是使用電活性聚合物（EAP）這種材料來制造人造肌肉。兩個電極像三明治那樣將軟材料層夾在中間；施加電壓時，EAP充當電容器，電極向中間靠攏，擠壓它們之間的軟材料。利用這種現象，研究人員已經制造出可以堆疊并產生明顯力量的收縮單元。另一個可能方法是使用流體執行器建造機械肢體，將液體或氣體注入軟體腔以改變更大結構的形狀。還有一個有趣的方法是用顆粒物取代流體作為軟體腔的填充物。有了這種“塞入”技術，軟體機器人在常態下將保持柔軟，而內部真空時則會形成堅硬的形狀，就像雜貨店貨架上的真空包裝咖啡磚一樣。按照設定的順序使各部分內部真空，研究人員可以讓軟體機器人以特定的方式變硬并移動。

我的團隊最感興趣的方法是使用形狀記憶合金（SMA）這種材料來制作人工肌肉。加熱時，SMA變形到預定形狀并“記住”。我們將SMA線做成彈簧狀，通電使其加熱，彈簧就會模仿肌肉進行收縮。我們針對章魚集成項目構造了一個原型肢體，用SMA彈簧作為章魚肢體內的縱向和橫向肌肉。通過給不同組的彈簧通電，原型肢體可以在多個不同點彎曲、縮短和伸長，甚至可以抓取東西。

我們的工作主要是展示軟體機器人的潛力，在章魚機器人實際走出實驗室之前還有很多工作要做。舉例而言，肢體帶有傳感器的機器人可以反饋其位置和觸碰物，這將有助于我們制定更好的控制策略。想想有著靈巧8肢的高級章魚機器人如何在野外活動，多么有趣啊。機器人專家除了對章魚的肢體和肌肉感興趣，還看重章魚的特殊智力水平。可令人驚訝的是，章魚竟然可以控制8個獨立的肢體進行大范圍的活動。因此，章魚集成項目的下一個挑戰就是研究章魚的控制機制，尋找可以管理柔性機器人復雜運動的方法。

生物學家已經明確，章魚的大腦并不會針對扭曲的8肢的每一個小動作發出自上而下的命令。就普通章魚而言，其大腦所包含的神經元數目，比周圍神經系統內的神經元數量少得多。生物學家認為，大腦負責啟動動作，而較低的運動中心控制更精細的神經肌肉活動。實驗表明，即使把章魚的大腦神經切斷，它的肢體仍會在刺激下收縮并伸出去，好像要抓住某物。

我們還有更有趣的發現：章魚的肢體不需要全面的方向認知來進行所需的運動。經過數百萬年的進化，它們的身體能夠以自主并有效的特定方式對環境做出響應。這個概念通常被機器人專家稱為形態計算，而人工智能研究人員則稱之為具身智能。套用到機器人世界時，這個原理意味著，我們設計的機器人可以憑借身體的物理特性自動進行所需的運動。有了這個策略，極其簡單的命令就能夠使機器人高效地執行復雜的任務。

我的團隊第一次著手制作可以沿著海底爬行的機器人章魚時，就時刻銘記這個原則。我們研究了真實章魚的運動策略，并確定了它的爬行4步驟。首先，章魚的一個后肢觸到底部；然后該肢伸長，推動身體的其余部分前進；隨后它收起吸盤，使該肢與海底分離；最后，該肢蜷縮到靠近身體的部位，并準備下一個前推動作。章魚用兩肢以優美的順序執行這些動作，像波浪一樣起伏前進。

為了模擬這種運動形式，我們的章魚機器人似乎需要進行大量的計算，以控制其8肢，使每肢都可以在任意點彎曲。由于我們的機械肢體自由度太多，難以應用一般的控制策略。我們決定遵循進化的原則，嘗試制作不需要復雜控制輸入的機械肢體。在這之前，我們制定了數學模型以全面測試機械肢體的各種設計，包括所用材料的密度、硬度、形狀以及人工肌肉的內部布局等。所有這些參數都需要在水下進行性能檢測。在不同鹽度和溫度的水中，機械肢體的表現如何？深度和壓力的增加對機械肢體有什么影響？電流和湍流對機械肢體的活動有什么影響？為了回答這些問題，我們在模型中增加了流體動力學要素。我們還必須考慮機器人所爬行表面的紋理和結構。為避免設計過于復雜，我們決定放棄使用吸盤，取而代之的是在機器人外部使用可產生較大摩擦力的材料。

要為模型中所有這些參數找到最佳組合，如果通過反復試驗計算，任務會過于復雜，因此我們使用一種進化算法在較大范圍內尋找可能解。該算法從創建各種假設的章魚體形開始，然后測試哪種章魚肢體的表現最好，進而使用“最適合的”肢體屬性來探尋新一輪的可能解。通過這種方式，我們確定了可以產生恰當推進力量并執行所需爬行動作的組合模式。

事實證明，控制章魚機器人并不難，可以模仿我們在章魚身上所觀察到的爬行4步驟。我們旨在通過這個原型展示控制機制，而不是材料，為此我們替換了SMA，使用電纜作為人工肌肉。每個硅橡膠肢體都包含一條可以延長或縮短機械肢體的鋼纜，以及一根用于彎曲機械肢體以實現附著和分離步驟的碳纖維電纜。每個機械肢體中有一個簡單的伺服電機提供電力。我們在設計時進行了大量復雜計算。但當機器人行動時，我們可以自豪地說，它非常“傻”：它只有一個簡單的“大腦”，通過正確的順序啟動機械肢體，使章魚機器人憑借其自身的機械性能爬行。我們的章魚機器人展現了形態計算的有效性。

我的團隊于2012年啟動了一個名為PoseiDrone的相關項目。我們的目標是制造出一個軟體水下機器人，它不僅可以爬行和抓住物體，而且可以游泳。為了賦予機器人游泳的本領，我們再次使用了形態計算。設計的關鍵是章魚機器人的外罩，也就是章魚的頭狀部分。這一部分可在充滿水時膨脹，然后收縮，噴射水并產生推進力。我們又一次使用計算機模型確定硅樹脂罩的尺寸、形狀和材料性質，尤其是結構在噴射水時變形的方式。我們的算法產生了最佳組合，只需要一個小電機和幾條簡單的線纜就可以使章魚機器人實現水中的噴射推進。

我們研究了PoseiDrone原型執行各種任務的能力，例如邊爬行邊拖動物體，并在游泳時通過噴射一股股水流推動自己前進。這個原型就是上文我們投進地中海的機器人，目的是測試它在廣闊的戶外表現如何。我們很高興地目睹機器人在不可預測的表面、波浪和電流間從容應對。

作者：Cecilia Laschi