模塊化機器人領域一直有個"老大難"問題——模塊越多，功能越強，但出故障的概率也越大

這似乎是一個矛盾：你想讓機器人適應更復雜的任務，就得加更多模塊；但模塊一多，哪怕每個模塊自身的可靠性高達95%，整個系統(tǒng)能撐過一次任務的概率也會隨著數量增長而急劇下滑。

現(xiàn)在，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的一項新研究，徹底反轉了這條曲線——他們提出了一套統(tǒng)一的本地資源共享方法論，讓模塊化機器人的可靠性隨著模塊數量增加反而上升。

值得一提的是，在實驗中，一個完全"死掉"的模塊——沒有電池、沒有傳感器、沒有無線通信——僅憑鄰居模塊的"接濟"，就能滿血恢復功能，和其他模塊一起完成復雜的運動任務。

這項成果以"Scalable robot collective resilience by sharing resources"為題，于2026年2月11日發(fā)表在國際頂級期刊Science Robotics上。

01.

大自然早就給出了答案

故障不可避免，這是工程領域的鐵律。傳統(tǒng)做法要么靠冗余硬件來兜底，要么靠算法讓機器人在故障發(fā)生后重新配置繞開壞掉的模塊。但這些方案都有各自的局限——冗余意味著更重更貴，重新配置則意味著功能打折。

有意思的是，生物界早就用一種更優(yōu)雅的方式解決了類似問題：本地資源共享

本研究列舉了大量生物學案例。細胞之間通過被動分子傳輸來共享營養(yǎng)，即使單個細胞死亡，整個有機體依然健壯。菌根網絡在樹木之間共享水分、養(yǎng)分和化學信號。金合歡樹甚至能通過空氣中的化學信號"警告"鄰居，使得整個植物群落對單棵樹的損傷更加耐受。鳥類通過集群飛行共享局部感知信息，螞蟻則通過信息素共享覓食路徑——哪怕幾只螞蟻死了，通往食物的路徑信息依然不會中斷。

這些生物系統(tǒng)的核心邏輯是：個體之間通過本地交互來互相彌補彼此的不足，從而讓整體比任何個體都更強韌。

研究人員正是把這個思路搬進了模塊化機器人。他們瞄準了三種對機器人系統(tǒng)最關鍵的資源——電力、通信和感知，提出了一套涵蓋所有三種資源的本地共享方法論，并在他們的模塊化機器人平臺Mori3上進行了完整實現(xiàn)和驗證。

Mori3是一種由三角形模塊組成的模塊化機器人，每個模塊可以圍繞與鄰居連接處的關節(jié)旋轉，最多可以與三個其他模塊相連。模塊之間有電氣觸點用于本地通信，同時各自具備Wi-Fi無線通信能力。

關鍵在于，僅共享一兩種資源是不夠的。本研究通過嚴格的概率模型證明：如果三種資源中只共享兩種，系統(tǒng)可靠性依然會隨模塊數量增加而下降。只有當三種關鍵資源全部實現(xiàn)共享時，曲線才會反轉——模塊越多，系統(tǒng)越可靠。這是一個相當反直覺但又在數學上被嚴格論證的結論。

02.

一套模型，三種資源，全部打通

盡管電力、通信和感知是截然不同的物理域，但本研究提出了一個統(tǒng)一的共享模型，將它們納入同一個框架來設計和分析。這個模型關注四個共性維度：傳輸機制、振蕩抑制、瓶頸控制和傳播方式。

在電力共享方面，團隊開發(fā)了一種新型電路，能夠通過模塊間原本用于數據傳輸的電氣觸點同時傳輸電力，無需對機械結構做任何改動。電力傳輸的核心原理很直觀：電流大小與兩個模塊之間的電壓差成正比（實測比例系數為1.440ΔV），高電量模塊自動向低電量模塊輸送能量。由于傳輸量隨電壓差縮小而自然減弱，系統(tǒng)天然具備抗振蕩特性。同時，電流被限制在0.5A以內，防止電氣觸點過載或電池過充。

在通信共享方面，團隊設計了一種混合通信算法。默認情況下，中央指令通過Wi-Fi下發(fā)到各模塊。但一旦某個模塊的無線通信失效（通過看門狗定時器檢測），系統(tǒng)會自動將無線消息切換到本地有線網絡進行路由，消息沿著模塊間的通信觸點逐跳轉發(fā)。通信路徑自然形成生成樹結構，避免消息環(huán)路和振蕩。更妙的是，關掉無線通信本身還能省電——實測關閉一個模塊的Wi-Fi后，電流消耗降低了約36mA，與Mori3系統(tǒng)中Wi-Fi模塊的實測功耗37mA高度吻合。

在感知共享方面，團隊提出了一種分布式傳感器融合算法，利用模塊間的公共因子（這里是重力方向）來傳播狀態(tài)估計信息。每個模塊將自己的傳感器數據與鄰居傳來的狀態(tài)估計相融合，計算下一時刻的狀態(tài)。由于估計值在相連模塊之間不斷傳遞，傳感信息會隱式地在整個連接網絡中傳播，而不需要集中式處理。這個算法的計算復雜度不隨模塊數量或拓撲結構增長，可以在74MHz的嵌入式處理器上實時運行。

實驗結果顯示，傳感器融合顯著降低了角度估計的誤差。更重要的是，即使一個模塊的所有板載傳感器被禁用，它仍然可以僅憑鄰居的估計值維持精確的狀態(tài)感知，對整個系統(tǒng)的精度幾乎沒有負面影響。在閉鏈結構中，融合算法的優(yōu)勢更加明顯——它能讓所有模塊對重力方向達成一致的估計，克服由額外力引起的傳感器偏差。

03.

"死掉"的模塊，滿血復活

所有單項能力的驗證最終匯聚到一個完整的系統(tǒng)級演示中。

團隊將四個Mori3模塊連接成三腳架結構，執(zhí)行一項復雜的運動任務——在包含低矮橋梁障礙物的環(huán)境中行進。其中中心模塊被設定為完全"死亡"狀態(tài)：沒有電池、傳感器和無線通信全部禁用。這個模塊在物理意義上完全依賴鄰居的資源才能運轉。

先看沒有資源共享的對照實驗。中心模塊"死"了之后，鄰居無法向它供電、無法與它交換傳感數據、也無法協(xié)調關節(jié)運動。三腳架結構失去了行走能力——因為行走需要所有四個模塊同步控制關節(jié)，而一個不響應的模塊會導致關節(jié)撕裂或運動失敗。三個存活模塊只能退而求其次，用外側的輪子在地面上緩慢滑行。這種運動方式不僅慢，而且更耗電。最終，在持續(xù)運行809秒后，一個模塊電量耗盡不斷重啟，整個集體未能通過橋下的低矮通道，任務失敗

再看啟用資源共享后的情況。通過本地電力共享，鄰居模塊為中心模塊持續(xù)供電；通過混合通信，指令被路由到中心模塊；通過傳感器融合，中心模塊獲得了精確的狀態(tài)估計。這個"死掉"的模塊被鄰居"復活"了，恢復了全部功能。

四模塊三腳架首先以行走方式向橋梁前進（0到182秒），然后壓低身體切換到輪式驅動通過低矮橋梁（182到330秒），穿過橋梁后重新站起恢復行走，最終到達目標位置（330到444秒）。整個任務在7分24秒內順利完成。

研究指出，這個方法適用于模塊未被物理摧毀、仍保有一定子系統(tǒng)自主性的場景。如果模塊被徹底摧毀，它無法從資源共享中受益，但仍可作為被動結構供其他模塊利用。此外，該方法要求模塊之間存在電氣連接、本地通信能力以及某種公共感知因子。除了重力，論文還提到氣壓、太陽輻射、磁場方向甚至時間都可以作為公共因子來傳播，進一步提升系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度。

團隊還討論了將這一方法論擴展到更大規(guī)模機器人群體的前景。雖然本研究聚焦于小規(guī)模配置——每個模塊都至關重要、單點故障后果嚴重——但所建立的資源共享和容錯原理同樣適用于大規(guī)模集體。同樣的思路也可以延伸到機器人蜂群，只要蜂群成員之間能夠對接實現(xiàn)能量和信息傳輸。

說到底，可靠性問題一直是模塊化機器人走向實際應用的核心障礙。這項工作用一個統(tǒng)一而優(yōu)雅的框架證明了：通過本地資源共享，適應性和可靠性不再是魚與熊掌的關系——它們可以同時擁有。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6304