新型超材料無需中央大腦即可學會改變形狀、適應(yīng)環(huán)境并移動，模擬生命系統(tǒng)特征。

阿姆斯特丹大學的研究人員開發(fā)出一類新型超材料，能夠在沒有中央控制器的情況下學會改變形狀、調(diào)整行為，甚至自主移動。與傳統(tǒng)材料在外力作用下產(chǎn)生固定反應(yīng)不同，這些工程系統(tǒng)的行為更接近生命物質(zhì)。它們能根據(jù)過往相互作用調(diào)整反應(yīng)方式，從而完成通常需要編程機器人才能執(zhí)行的任務(wù)。

該材料由一系列相同的電動鉸鏈通過彈性結(jié)構(gòu)連接而成。每個鉸鏈都內(nèi)置微控制器，可追蹤自身運動狀態(tài)、存儲歷史數(shù)據(jù)并與相鄰單元通信。這種分布式架構(gòu)使材料能夠通過局部協(xié)同控制整體行為，而非依賴單一控制系統(tǒng)。隨著時間推移，該結(jié)構(gòu)通過調(diào)整每個鉸鏈的運動和相互作用方式，逐步習得對輸入信號的響應(yīng)模式。

材料的學習與適應(yīng)機制

超材料通過重復(fù)交互完成訓練。研究人員彎曲特定鉸鏈作為輸入信號，同時引導(dǎo)其他鉸鏈進入目標形態(tài)。每次訓練周期中，系統(tǒng)都會更新各鉸鏈施加的作用力。最終，材料學會在感知到相同輸入信號時，自主復(fù)現(xiàn)訓練目標形態(tài)。它既能遺忘舊形態(tài)學習新配置，也可存儲多種形態(tài)并隨時切換。

"研究中最為振奮人心的發(fā)現(xiàn)是，學習能力賦予超材料進化特性——系統(tǒng)一旦開始學習，其演化方向便呈現(xiàn)近乎無限的可能性。"論文作者杜堯表示。這種無需中央控制的自主行為進化能力，標志著材料研究從可編程物質(zhì)向?qū)崟r自適應(yīng)系統(tǒng)的跨越。該體系還揭示了：即使由簡單組件協(xié)同工作，也可能涌現(xiàn)出智能，而非依賴復(fù)雜的中央處理。

無腦系統(tǒng)的智能涌現(xiàn)

此類材料可完成抓取物體或表面移動等類似簡單生命體的任務(wù)。早期同類系統(tǒng)雖能運動，卻缺乏學習適應(yīng)能力。

各鉸鏈基于局部信息施加扭矩，動態(tài)調(diào)整剛度和預(yù)設(shè)位置，使整條鏈能根據(jù)環(huán)境變化進行動態(tài)重組。研究人員表示，下一步將突破靜態(tài)形態(tài)限制，實現(xiàn)隨時間變化的行為模式，例如在爬行與滾動運動模式間切換。"未來我們將致力于實現(xiàn)時間依賴性行為的學習，而非僅改變靜態(tài)形態(tài)。"杜堯補充道。研究團隊還計劃探索系統(tǒng)在不確定環(huán)境中的表現(xiàn)，即在存在噪聲干擾的條件下進行學習，使反應(yīng)機制呈現(xiàn)概率性特征。

這項研究反映了學界對融合物理結(jié)構(gòu)與自適應(yīng)智能材料日益增長的興趣，可能為機器人技術(shù)、軟體機械和響應(yīng)系統(tǒng)開辟新路徑。

相關(guān)研究已發(fā)表于《自然·物理學》期刊。

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