一群纳米机器人能展现集体智慧吗?

从远处看，它们像尘埃云。然而，作家迈克尔·克莱顿(Michael Crichton)的畅销书《猎物》(Prey)中的微型机器人群是自我组织的。它以最基本的智能行动，学习，进化和自我交流，变得更强大。

由宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组受克莱顿小说的启发，建立了一个新模型，描述了生物或技术系统如何形成具有信号处理能力的复杂结构，使系统能够对刺激做出反应，并在没有外部指导的情况下执行功能任务。

“基本上，这些小纳米机器人变得自我组织和自我意识，”宾夕法尼亚州立大学生物医学工程、化学和数学哈克讲座教授伊戈尔·阿伦森(Igor Aronson)在解释克莱顿这本书的情节时说。这本小说启发了阿伦森去研究相互作用、自我驱动的主体之间集体运动的出现。这项研究最近发表在自然通讯．

Aronson和来自慕尼黑LMU大学的物理学家团队开发了一个新模型，来描述生物或合成系统如何形成具有最小信号处理能力的复杂结构，使系统能够对刺激做出反应，并在没有外部指导的情况下执行功能任务。阿伦森说，这一发现对微型机器人和任何涉及由简单积木组成的功能性自组装材料的领域都有意义。例如，机器人工程师可以创造出一群能够执行复杂任务的微型机器人，如污染物清除或威胁检测。

阿伦森说:“如果我们看看大自然，我们会发现许多生物依赖交流和团队合作，因为这增加了它们的生存机会。”

宾夕法尼亚州立大学和路德维希-马克西米利安大学的研究人员设想的计算机模型预测，由小型、自我驱动的代理进行的通信会导致类似智能的集体行为。这项研究表明，通信极大地扩展了单个单元形成类似于生命系统的复杂功能状态的能力。

该团队建立了他们的模型来模拟社会变形虫的行为，这种单细胞生物可以通过化学信号交流来形成复杂的结构。他们专门研究了一种现象。当食物变得稀缺时，变形虫会释放一种信使化学物质，称为环磷酸腺苷(cAMP)，它会诱导变形虫聚集在一个地方，形成一个多细胞聚集体。

“这一现象是众所周知的，”来自Ludwig-Maximilians-Universität München网站的合著者欧文·弗雷在报告中说一个版本．“然而，在此之前，没有任何研究小组研究过，在一般水平上，当个体代理(在我们的例子中，阿米巴)是自我驱动的时候，信息处理是如何影响代理系统的聚合的。”

几十年来，科学家们一直在寻求更好地理解“活性物质”，即将储存在环境中的能量(例如营养物质)转化为机械运动并通过自组织形成更大结构的生物或合成系统。阿伦森解释说，单独来看，这种材料没有智能或功能，但综合起来，这种材料能够以一种紧急智能对环境做出反应。这是一个古老的概念，却有着未来的应用。

亚里士多德在2370年前的《形而上学》一书中阐述了涌现论。他的语言通常被解释为“整体大于部分之和”。阿伦森说，在不远的将来，对新兴系统的研究可能会产生细胞大小的纳米机器人，它们可以在体内自我组织，以对抗病毒，或者是一群自主的微型机器人，它们可以在没有飞行员的情况下以复杂的队形协调。

阿伦森说:“我们通常把人工智能说成是某种有感知能力的机器人，有着高尚的思维。”“我正在研究的是分布式人工智能。每个元素都没有任何智能，但一旦它们聚集在一起，它们就有能力做出集体反应和决策。”

阿伦森解释说，目前机器人领域对分布式人工智能的需求很大。

“如果你想以最具成本效益的方式设计一个机器人，你就不想让它太复杂，”他说。“我们想要制造非常简单的小型机器人，只有几个晶体管，在一起工作时具有与复杂机器相同的功能，但没有昂贵、复杂的机械。这一发现将为活性物质在纳米科学和机器人技术中的应用开辟新的途径。”

阿伦森解释说，从实用的角度来看，分布式人工智能可以用于任何一种物质，其中悬浮着微观分散的粒子。它可以被部署在体内，用于输送对抗疾病的药物，或激活大规模制造的微型机器人的微型电子电路。

研究人员写道:“尽管交流很重要，但在活跃物质的背景下，它的作用在很大程度上仍未被探索。”“我们将个体主动主体的决策机制确定为系统集体控制的自组织的驱动机制。”

参考:Ziepke A, Maryshev I, Aranson IS, Frey E.传播活动中的多尺度组织。Nat Commun．2022; 13(1): 6727。doi:10.1038 / s41467 - 022 - 34484 - 2

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