大多数仿生机器人，都有一个明确的“参照物”。
学蛇，就把身体做成长条；学狗，就装四条腿；学毛毛虫，就让身体一节一节蠕动。这很合理，也很像我们熟悉的工业逻辑：先确定任务，再设计形态，最后制造成品。
但如果同一个机器人，今天要像蛇一样钻窄缝，明天要长出“腿”爬过地面，最后还得伸出身体把东西抓回来呢？
佐治亚理工学院团队给出的答案是：别换机器人，换身体。
近日，该研究团队人员在《Science Advances》发表了一项模块化自重构机器人研究，提出一种名为MSRCR的“模块化自重构连续体机器人”。
它没有固定形态。一个模块可以滚动；两个模块可以蠕动、蛇行；三个到五个模块重新连接，又能爬行、匍匐，形成类似四肢的运动方式。
更关键的是，这些模块还能松开彼此、弯曲身体，再从新的角度重新抓住，主动换一种形态。
研究团队甚至为它画了一棵“进化多样化树”——从依赖软体变形的蠕虫、蛇，到出现肢体的动物，不同生物的运动策略，被重新组织进同一套机器人平台
当然，它不是真的在“进化”。更准确地说，研究人员想做的是让一种机器人，拥有多种身体。
01.
先把机器人的“积木”做软
模块化机器人并不是新概念。它的逻辑很像乐高，即把机器人拆成标准模块，根据任务重新组合。
但传统模块有一个天然限制——太“硬”。
刚性模块通常只有少数固定关节，连接器的位置和方向也提前规定好。想让机器人动作更丰富，只能继续增加模块，最后模块、电机、接口和控制复杂度一起上涨。
MSRCR先改的，就是最底层这块“积木”。
每一个模块，中间都是一条肌腱驱动的柔性连续体骨架，总弯曲范围可以达到约180°。换句话说，一块模块本身就像一小段会主动弯曲的脊柱。
两端则各装一个特殊夹爪。这个夹爪既能抓东西，也能抓住另一个模块的夹爪。研究人员把它叫作“抓取即对接”。
一个夹爪闭合后形成近似球形的连接面，另一个夹爪可以从连续变化的角度抱住它。最多可以有4个夹爪连接到同一节点。
过去的模块接口更像“插头插插座”。这里更像几只手互相抓住。身体不再是拧上去的，而是“抓”出来的。
全方位对接夹爪的设计和特性
02.
从滚动到蛇行，一套身体“长”出多种步态
硬件搭好以后，真正好玩的部分来了。
研究人员没有给机器人规定一种标准形态，而是反过来研究：随着身体越来越复杂，会出现哪些运动方式？
只有一个模块时，机器人可以滚动，实验速度约为125 mm/s，还能完成类似“臂行”的摆动。
增加到两个模块，可以出现蠕动和蛇形波动。
到了三个模块，身体开始出现分支结构，可以完成爬行、匍匐和蛇行。其中三模块爬行达到40.4 mm/s，匍匐为32.2 mm/s，蛇形运动为21.26 mm/s。
四模块可以把“双臂爬行”和尾部蠕动组合起来。
五模块则进一步出现四肢爬行、匍匐以及“匍匐 尾部波动”的混合步态。
有意思的是，研究人员并没有给每一种身体重新写一套控制系统。他们用了受生物中央模式发生器（CPG）启发的统一控制框架。
简单说，只需要调整不同模块之间的相位关系和连接方式，同一套控制逻辑就可以驱动不同身体，产生不同步态。
所以这项研究真正想建立的并不是“机器人会多少种动作”。而是一张对应表——什么样的身体，适合什么样的运动。
03.
换身体这件事，终于有了算法
会拼身体，还只是第一步。
假设一台三模块爬行机器人走到一条窄缝前。它知道蛇形身体更适合通过。但问题来了：怎么从现在这个身体，变成一条蛇？
这比普通模块机器人麻烦得多。因为MSRCR的身体弯曲是连续的，对接角度也是连续的；与此同时，“抓住”和“松开”模块又是离散动作。
于是一次重构里，同时存在弯曲、抓取、释放。传统只记录“哪个模块连着哪个模块”的图结构已经不够用了。
研究团队因此建立了一套统一的几何—拓扑表示，把模块连接、抓取顺序、抓取角度和身体弯曲状态一起编码，再提出HEART-MCTS规划器，搜索从一种身体变成另一种身体的路径。
效果很明显。
与论文采用的IAB-BFS基线相比，在3、4、5模块任务中，HEART-MCTS平均规划时间分别缩短59.5%、82.0%和94.9%，并展示了最多7模块系统的规划能力
模块越多，这个问题越难。
因为机器人不只要回答“谁连谁”，还要计算：从什么角度连？身体先往哪儿弯？会不会撞到自己？变完以后还能不能继续动？
变形金刚真正难的，从来不只是“能变”，而是知道怎么换。到这里，换身体不是一句话的事，它本身就是一个计算问题。
04.
从换身体到真干活，柔软开始变成能力
论文最后做了一组很完整的实体演示。
最开始，机器人由3个模块组成，采用匍匐形态，可以前进、后退、转弯，还能伸出尾部模块，把物体抓起并放进较高的容器。
随后，前方出现狭窄通道，原来的身体不合适了。机器人按照规划好的重构序列，松开部分夹爪，弯曲身体，再重新抓住自己的模块，最终变成蛇形。
接着，它开始蛇形波动，钻进通道，抓住目标，再倒着把东西带回来。
这里有一个边界必须说清楚——重构路径并不是机器人现场实时算出来的，而是提前规划后在硬件上执行。所以它距离“看到环境，自己决定长成什么样”还很远。
但它已经完成了【运动—换身体—再运动—再操作】的一条很完整的链路
而且“软”在这里并不只是为了方便变形。当蛇形机器人面对从30厘米逐渐缩窄到22厘米的通道时，柔性身体可以被动压缩、改变运动幅度，继续通过。
另一组实验更直观。
研究人员把四肢构型中间的躯干模块断电，只让它被动弯曲。结果，柔性躯干能够帮助四肢协调受力，前进速度达到43.36 mm/s；刚性对照只有15.8 mm/s。、
这样来看，软，不只是能变。它开始成为身体能力的一部分。
05.
机器人“长什么样”，以后可能不再是出厂决定
当然，这还远不是现实版“变形金刚”。
目前，自重构规划主要局限在平面环境。真正进入三维以后，还要同时考虑重力、支撑、碰撞和连接稳定性，难度会明显上升。
柔性也有代价。
它牺牲了一部分刚度和承载能力，因此现阶段更适合密闭空间检查、狭窄环境探索这类需要形态适应的任务，而不是搬运重物。
但这篇论文真正值得注意的，可能本来也不是它今天能跑多快。
过去，我们习惯先决定机器人长什么样，再让它学习怎样完成任务。MSRCR尝试把这个顺序倒过来——先给机器人一套可以重新组织的身体，再根据任务决定自己该长什么样。
开阔地面，可以滚。遇到窄缝，变成蛇。需要支撑，就重新组织出“肢体”。需要操作，身体的一部分又能直接去抓东西。
它距离真正的自主变形还很远。但至少，机器人“身体是什么”这件事，开始从一个出厂参数，变成了一种可以被计算和重新组织的能力
VIP复盘网
