在许多生命系统中，集群行为的智能化表现并不少见。

以鸟类和昆虫为首，与其他个体独居生物相比，它们的集体行为能够完成更高级、更智能的任务。

个体生物不能单独解决的问题，在面对它们种群的共同行为时往往能顺利解决。

新型集群类机器人

机器人研究人员并没有忽视这种共享智能行为，当他们想要扩展研究单位，需要建造更智能的机器人的，将目光投向大自然往往能给他们新的灵感和方向。

这种大自然灵感与机器人的结合适用面非常广，可以出现在爬行、奔跑、游泳和飞行等机器行为模式中，也可以应用于生物学、心理学、物理学、材料科学和空气动力学等不同领域。

不仅如此，科学家们正在以智能化为目标，探索创造新的、更高效率的机器人系统的方法，其中就包括微型机器人，这种机器人或许能在医药领域大放光彩，因为它们足够小，能进入人体进行靶标实践。

不管在什么领域，这种集群微型机器人的研究非常重要，特别是对于环境监测、搜索和救援、农业、勘探和危机应对等大规模应用领域，因为即使群体中有个体成员出现故障，集群机器人也能继续正常工作。

集群机器人是一种机器人群，包含了数百台甚至数千台微型机器人，可以分组完成任务，也可以以一个整体进行工作，能够用来执行各种有用的大规模任务。

现有技术和实践水平的角度来说，集群机器人仍然有一定的应用风险，当应用在错误场景时，它甚至可能会产生巨大风险。

但是，最近的研究表明，集群机器人的概念越来越可行。在许多任务设置中，大型的独立机器人可能会逐步退居二线，让位于能够进行更复杂行为的集群机器人。

集群机器人工作模式

集群机器人的研究灵感来源于自然界，更准确的说，是自然界中生物种群的第二天性。第二天性是生物的独特生活习惯。而从大自然中汲取灵感是集群机器人的研究核心。

举例来说，当观察一只工蚁时，会发现每只工蚁的行为模式都非常简单，它们自己能做的事情很少。然而，数只工蚁组合时，合成的种群却能做出许多非常了不起的行为。

一群蚂蚁可以齐心协力，用它们的身体搭一座桥，让其他蚂蚁跨过一条小溪。蜜蜂会相互交流食物来源，使它们的群体繁荣发展。

除此之外，还有许多类型的候鸟，也可以通过有利于群体的编队飞行，在这些队形中，前面的鸟减少了后面的鸟的阻力，并且在飞行途中，队形中的鸟会交换位置分担压力，没有一只鸟承担全部的工作量。

所以，集群机器人研究的核心就是从大自然中寻找这样的种群，模仿它们的集群行为，最后实现复杂的行为。

集体的智慧超过了任何个体的动物，理解让这些生物种群，了解它们自然社会框架，分析它们蓬勃发展的确切机制并非易事。

因为这些都是十分复杂的系统，植根于生物本身行为和物理环境的完美结合，因此，研究人员的研究重点不仅仅是生物本身，还需要广泛研究庞大的自然系统。

通过将物理与生物结合研究，科学家们已小有成就，包括模仿动物导航系统的磁力，模拟动物交流形态的无线电波，如5G、Wi-Fi和蓝牙等。动物们对光、声音、气压和化学物质的使用方式都十分巧妙，有助于提高集体行为模式的智能化。

研究动物第二天性在集群机器人中应用时，科学家们研究方式本质上是对计算和通信的一种不同的思考。

传统上，算法和机器人模型围绕着一个中心工作，这个中心通常是运行系统的中央协调器或“大脑”。然而，一个生物集群在合作时，其成员之间并没有直接交流，也不会统一由一个“大脑”控制。

为了模仿这样的生物工作方法，集群机器人需要改变传统的机器人模式。换句话说，集群机器人的智能控制与指挥必须是分散的，就像一群蚂蚁或一群蜜蜂。

这需要局部交互法则和复杂的算法，因为这些算法可以分析和理解许多情况和场景，包括群体中某些单位的故障。

集群机器人算法基础

好消息是，自然和计算机算法能够相当好地结合在一起。目前的集群算法是基于控制理论的，其工作可以通过人工智能算法得到进一步增强。

集群机器人可以用分散的算法设计，使机器人集群中的每个个体能够相互交流，适应不确定的环境，并通过当地的互动规律建立对态势感知的共识。

这种去中心化的模型还提供了一个优势，即外部干扰更难欺骗或操纵机器人集群，这为集群机器人的安全性能和抗风险能力提供了保障。

在集群模型中，每个单独设备都必须被嵌入智能化算法，开发者还需要为单个机器人创造程序，使集群中的成员能直接或间接地交互共享知识，包括机械行为识别和其他物理沟通渠道。

这意味着集群中每个存在的单独组件都需要携带代码，这个代码并不是随机的，而是集群总体代码中的一些片段。在某些情况下，它们可能携带重复的代码。这样，集群中的单独组件就可以根据需要共享和交换信息。

进一步来说，常见的智能算法在集群机器人上都能适用，开发者可以将部署机器人的形态或总体功能上，类似于本质上的形式和功能概念。但在实际处理任务的过程中，集群机器人算法必需实现组件之间交互通信的工作方式，包括动态更新和改变行为。

集群机器人应用实例

集群机器人的特点是关注群体，协作性的集群机器人技术已经初具规模。哈佛大学的研究人员以海洋研究为目标，推出了“蓝色温暖”计划，并开发了一种可以复制鱼的行动的自主集群机器人，这种机器人被称为“蓝色机器人”。

“蓝色机器人”能够实施集群单个组件的个体决策任务，同时也支持有利于整个群体集体行为的任务。它是由1000条“鱼”组成的，这里的“鱼”就是集群中的单独机器人，每个机器人都配备了两个摄像头和三个LED灯。

机载的微型摄像头能够探测到邻近机器人的发光二极管，并通过机载算法计算它们的距离、方向和方向。

通过使用隐式规则和三维(3D)视觉感知，研究人员能够据此探索GPS和Wi-Fi通常无法访问的地方，在那些地方建立具有高度自主性和灵活性的水下群系统，帮助海洋学领域的深海研究。

另一组研究人员则开发出了微型3d打印的链条微型机器人集群，每个机器人的直径约为人类头发的平均直径。该装置由涂有钴的聚合物材料制成，周围环绕着线圈，这些线圈能够起到微小磁铁的作用，根据需要在空气—水界面内调整和重新配置组件形态。

该项目进一步证明了集群系统的可行性。

在这项研究中，研究人员制作了120个微型链条，通过磁场梯度移动，它们能通过接触流动的物体进行平移和旋转，并通过类似气体的自推进微磁盘探索开放空间。

链条机器人集群行为是由多种过程和作用触发的，包括流体动力学、毛细作用等，甚至还有由外部磁场控制的磁偶极子—偶极子相互作用。

链条机器人的行为取决于研究人员如何改变和调整磁场，通过改变与流体和空气有关的磁场，他们可以操纵磁盘相互吸引或排斥。

在该研究团队的研究中，微型链条机器人集群一共能产生六种不同的集体行为，这些行为在物理世界中具有普遍适用性，同时研究人员还证明了这种集群机器人能够了按组划分，分化出具有更专门功能的更小的子组。

以目前的理论发现和实践水平来看，在连接和控制微型机器人设备的工具方面，磁力似乎是最佳选择。但理论上来说，光、声、电场、无线电波等任何物理元素都可以是媒介，能够帮助集群机器人内部组件之间交互。

此外，这些力量的结合所创造的不同相互作用，可以为集群机器人引入一系列新的功能和特性，从而创造出集群机器人新的一系列能力。它们可以相互影响，并创造出一种超越单个部分总和的复杂新系统。

当然，开发功能性的集群机器人并不简单，它还涉及到其他几个关键领域。

以现有的一个成功项目为例，他们的研究重点是参照人类群体的互动，研究集群机器人的弱点，学习不同群体如何相互接触，如何通过互动来表达友好或敌对情绪，以及如何付诸实践，将这些集群行为应用于实际情况，例如灭火和救援行动。

这涉及到将单个平台物理耦合到灵活的群体中，比如创建群体绳索，以此从燃烧的建筑物中营救人员，或者组装机器人平台，将人员运送到难以到达的空间，完成险境救援任务。

如其他的计算机研究一样，研究人员关注的一个关键点是集群设备的故障率。

虽然在某些情况下，40%甚至50%的集群机器人停止正常操作是合理范围，其造成的局面后果是研究人员能够负担和接受的。但对于群体绳索和机器人救援梯子来说，在这类应用于救援中的机器应用中，这样的故障率并不令人满意。

因此，未来的研究方向需要集中于优化备份通信协议，以此优化设备独立操作的能力。

然而，随着机器人数量的增加，集群机器人会越来越依赖于物理相互作用，特别是对于紧急行为来说，这会加大故障出现可能性，增加故障出现的总量，最后造成难以估量的损失。

具体来说，如果一个集群机器人中有1000个内部组件，当其中一半不能正确地影响环境时，50％的故障率就可能会严重影响集体完成任务的能力。

蜂群的分工行为模式是有非常神奇的力量，在一定程度上或许能够解决集群机器人的故障率问题。纵观集群机器人的发展历史和基础，解决上述挑战，构建适用性高的集群机器人需要围绕着广泛的学科进行。

然而，将自然和物理中的思想转化为电子系统并不简单，这种转换具有多层复杂性。

例如，哈佛大学的研究团队中约有30%是由生物学家组成的，同时也有机械和电气工程师、计算机科学家，甚至社会学家和心理学家的身影，这足以表明，将自然和物理概念转化为电子系统是复杂的。

尽管如此，还是有几家公司已经使用精心编排的无人机，在夜空中制造出了精心设计的灯光秀。

其中一个成功的例子就是现代汽车子公司捷恩斯，他们于2021年4月宣布进军中国市场，当天他们部署了3281架无人机组成公司标志，悬空漂浮在城市港口的上方，这可以被称为一场令人叹为观止的展示。

在科技迅速发展和机器人研究需求的飞速刷新的大背景下，相信用不了几年时间，集群机器人就能够全面发展，可以处理各种各样的任务。

它们可能会依赖一些更大的机器人设备，也可能化身为一些昆虫大小的设备，甚至是纳米机器人，被用于进入人体来分配药物或处理其他精细的任务。它们可以在废墟中搜寻，在水下和其他难以到达的地方进行维修。

集群机器人肯定还会被用于自动化建筑和管理作物，机器人之间的合作为人们的生活带来了一系列非凡的机会。

尽管研究人员对群体机器人的伦理使用表达了一些担忧，比如它们在军事上用于致命的自主攻击的可能性，但这项技术仍在继续以多种多样的形态更新发展。

假以时日，当人们对自然的理解不断加深，以及将感官数据和环境意识转化为机器人的实践深入，科学家们有望在未来几年彻底改变集群机器人，甚至是整个机器人研究领域。

伴随着智能材料的发展，以及科学家们设计和制造设备和算法的能力的提高，集群机器人将走出实验室，进入现实世界。