长度不足1毫米的机器人由定制光图案驱动，图中两处暗斑作用近似“黑洞”。

图片来源：William Reinhardt / 宾夕法尼亚大学

科学家距离实现“用微型机器人集群递送药物或清理有毒污染”的梦想又近了一步。但要制造如沙粒般微小的机器人，其机载导航系统必须极尽精简。

如今，研究人员设计出一种无需任何通信或计算电子元件即可引导微型机器人导航的方法，灵感竟来自一个意想不到的领域：广义相对论，即爱因斯坦的引力理论。

借助广义相对论的数学框架，研究人员可设计光图案，引导机器人运动，仿佛航天器在弯曲时空中朝黑洞方向偏折。得益于此种“人造时空”，机器人可在简单二维迷宫中避开障碍、抵达目标。

这项研究已被《NPJ机器人》期刊接收发表。未参与该研究的佐治亚理工学院物理学家丹尼尔·戈德曼称，这是“一项优美的认知”，表明广义相对论的数学原理可用于引导机器人。

主导本研究的宾夕法尼亚大学物理学家马克·米斯金表示，操控微型机器人——那几乎肉眼不可见的硅质微粒——常采用“自上而下”的方式，即“像操控提线木偶一样告诉它该做什么”。

研究人员需费力追踪每个微小机器人，并用磁场或其他外力将其推向目标。米斯金认为，对微型机器人集群而言，更优方案是让它们自主响应全局力场，从而完全无需追踪。

为实现这一目标，米斯金与研究生威廉·莱因哈特设计了一种长度不足1毫米的极简游泳机器人，仅对光有响应。H形机器人的每侧均含一串微型太阳能电池，两端连接电极。

光照电池时，电极间产生电场。当机器人浸入含溶解离子的溶液中，该电场会对液体施力，从而反向推动机器人前进。操控机器人仅需调节H形两侧“马达”接收的光量。为引导机器人穿越二维迷宫，米斯金与莱因哈特利用数字投影仪与透镜，将定制光强图案聚焦于培养皿，机器人正在其中游动。

设计此光图案正是爱因斯坦理论大显身手之处。佐治亚理工学院理论物理学家泽布·罗克林指出，这“无法仅靠纸笔完成”。

研究人员运用数值相对论的部分方程，将迷宫及其边界转换为虚拟空间，使机器人可沿直线抵达目标——正如航天器或光束，虽看似绕引力天体沿曲线运动，实则在四维时空中沿直线行进。一旦光图案被设计成沿这些直线推动机器人（并将最暗区域置于迷宫目标点，模拟黑洞），该虚拟地图即被转回物理空间。

米斯金与莱因哈特演示了多个微型机器人如何从不同起始位置出发，仅凭物理规律自主穿越简易迷宫。“只需把机器人放下去，别管它，等着就行。”米斯金说。每个机器人都严格遵循广义相对论预测的路径，并在预计时间内抵达终点。

米斯金表示，此过程为机器人地图编码提供了一种独特思路。通常，我们视地图为机器人携带的庞大数据集。理论上，若将此类信息直接编码于控制机器人的场中，便可释放机器人内存以执行其他任务。

罗克林认为，使用神经网络生成定制光图谱或许更快更简便，无需经历数值相对论的繁琐计算。但他指出，与这类“黑箱”方法相比，数值相对论方法“提供了对问题的直观理解”。他补充道，甚至可将这些机器人作为广义相对论的机械实验平台，这一应用或催生“令人惊叹且美妙的新现象”。

文章来源：SF中文