章魚是海洋中最複雜、最奇異和最聰明的生物之一。它們可以擠過比四分之一硬幣還小的孔洞，拉動數百磅的力，瞬間改變皮膚的顏色和紋理，並且憑藉它們核桃大小的大腦，弄清楚如何開啟兒童安全藥瓶以獲取美味的螃蟹。 憑藉如此令人印象深刻的技能，工程師們開始提出這樣的問題只是時間問題：我們能否製造出像章魚一樣行動的機器人？
“章魚整合專案”是試圖回答這個問題的團隊之一。這項由多家機構參與的國際合作專案正致力於開發一種完全自主的章魚機器人，它可以像真正的軟體動物一樣，完成任何硬關節機器人永遠無法完成的壯舉。
Cecilia Laschi 是義大利比薩聖安娜高等研究學院的生物機器人研究員，一直負責協調這項工作。她和她的同事於 2010 年完成了原型分離式章魚手臂，現在正在製造身體的其餘部分——從外套頂部到手臂尖端。他們的目標是創造一種像章魚一樣在水下移動並能夠進入狹小空間的機器人。它對於搜尋和救援以及探索可能非常寶貴。但也許該專案最令人興奮的目標是證明創造完全軟體機器人是可能的。
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我拜訪了 Laschi 和她的同事們在裡窩那的實驗室，那裡離比薩只有一小段火車車程。 Laschi 的一位研究員，生物機器人博士 Laura Margheri，帶領我進入了這座海邊的小型設施。裡面，許多側門敞開著，讓溫和的利古里亞海風和港口船隻的景色吹進來。在成排的工作站上，一些研究生和博士後在電腦前辛勤工作，並擺弄著原型。在實驗室的中心，頭部位置，是一個大型、裝置齊全的鹽水缸，裡面有岩石、海星和一隻上了年紀但仍然活躍的章魚。這隻吉祥物名叫 Andreino（向一位抓住他的前同事致敬）。
Margheri 一直在測試章魚的自然能力，希望能將其模仿到機器人身上。她設計了一些巧妙的實驗，以瞭解章魚的肌肉靜水骨骼手臂可以伸展多遠。在一項練習中，章魚用長長的手臂從長管內取回食物——這是它只需經過幾天內的五次訓練就能學會做的事情。然後，Margheri 將食物放置在管子更深處，並測量這些舌狀手臂可以伸展多遠。事實證明，這些手臂可以伸展到大約原長度的兩倍——這確實是一項工程挑戰。
專案負責人的自身背景更偏向於傳統機器人技術。 “我習慣於使用具有剛性連桿的機器人，”Laschi 解釋說。在與神經科學家合作並更多地瞭解我們自己的大腦以及我們如何協調我們的身體後，她開始對經典機器人的傳統剛性以及肌肉等結構的缺失感到有些沮喪。因此，她和一些更偏向生物學的合作者開始計劃一個大膽的軟體機器人專案。還有什麼比章魚更好的模型呢？ “所有生物系統都有一些柔軟的材料，”她說，“但章魚非常特別，因為它只有柔軟的材料”（當然，喙除外）。 “所以我們將其視為極端情況——如果你研究光譜的這一端，你就可以解決其他問題。”哈佛大學的一個小組開發了一種受章魚啟發的四足機器人，它可以在陸地上緩慢移動，甚至可以（緩慢地）進行顏色偽裝。但這仍然需要連線到空氣和液體泵以及外部控制來引導它。
為了更完整地模仿章魚——從內到外——Laschi 的團隊使用了超聲波技術來獲得章魚手臂及其所有肌肉工作狀態的罕見內部檢視。 Laschi 實驗室的另一位生物機器人專家 Matteo Cianchetti 插話說，這種視角有助於闡明“章魚手臂運動的秘密”。在沒有骨骼的情況下，三組肌肉賦予章魚手臂靈活性和結構，使其能夠改變方向、長度甚至剛度。為了複製肌肉，研究人員正在使用由形狀記憶合金製成的電纜和彈簧，這些合金在被電流加熱時會彎曲，隨後又恢復到原來的形狀。
雖然肌肉本身可以延伸遠遠超出其典型長度，但每隻手臂中的中樞神經索卻不能。相反，每個神經束都摺疊成鋸齒形結構，有點像手風琴，這樣它就可以隨著手臂的伸展而展開。 Margheri 和她的團隊從活章魚身上獲得啟發，正在以波浪形模式將處理線束裝入手臂的中心。
Cianchetti 向我展示了一個矽膠皮膚原型，它呈幽靈般的灰色。透過拉動幾根電線，他使其捲成螺旋狀。我伸出手指，分離的手臂毫不費力地用橡膠般的皮膚緊緊地包裹住我的手指，這讓人感到不安。憑藉手臂的形狀、比例和內部的“肌肉”，它自然而然地纏繞在它所抓住的任何東西上。 “它會自動適應那個形狀，”Cianchetti 說。太棒了，我不禁打了個寒顫。
研究人員正在機器人手臂上安裝整合觸覺感知的感測器，並希望也新增某種吸盤狀的附屬物。然而，這些吸盤的行為可能與活章魚的吸盤不完全相同，活章魚的吸盤既強大又用途廣泛——能夠旋轉、摺疊甚至品嚐周圍的環境。包括布魯克林學院 Frank Grasso 實驗室在內的其他團隊正在開發更精細的機器人吸盤。美國陸軍研究實驗室與其他科學家合作，已經開始 3D 列印超強、單獨啟用的吸盤。
從事章魚機器人研究的科學家們仔細選擇材料，以便機器人能夠在水下長時間良好地工作而不會腐蝕。 “章魚整合專案”團隊正在使用的矽膠的密度幾乎與水相同，因此它具有浮力——就像真正的章魚一樣。
因為水下機器人，無論多麼令人印象深刻，只有在能夠移動的情況下才能真正發揮作用，因此一些實驗室成員正在研究各種形式的運動。另一位生物機器人專家 Marcello Calisti 正在解決行走問題。大多數真正的章魚更多地用後臂行走，同時用前臂四處摸索。但對於人造版本，機器人專家可能會讓它用前臂伸出，連線一些吸盤，然後拉動，這種策略也將有助於探索和確定方向運動。
Calisti 的工作站旁邊是一個半滿的充氣兒童游泳池，用於測試水下爬行和其他任務。 Calisti 向我展示了他目前的原型，它由硬質材料電機和固定電纜製成，只有六條手臂，看起來仍然相當原始。但是當 Calisti 播放一段它像蜘蛛一樣爬行的影片時，有一些令人毛骨悚然的地方。 “這有點令人毛骨悚然，”他承認。到目前為止，他們已經能夠對其進行外部程式設計，將其放入游泳池中，並觀察它定位和檢索物體。但目標是最終將指揮中心放在其內部（並給它完整的八條腿和完全柔軟的身體）。
當然，爬行並不是章魚唯一的移動方式。在現實世界中，當章魚需要快速逃生時，它們會選擇噴射動力游泳。在實驗室的另一端，Francesco Giorgio Serchi 試圖用矽膠重新創造章魚的推進系統。章魚用來推進自身的水射流會產生一股稱為渦環的漩渦。真正的動物透過使用其外套膜肌肉吸入並透過漏斗噴出水來產生這種力。
科學家們現在才弄清楚渦環的流體動力學，魷魚和其他一些水下動物也使用渦環。 Giorgio Serchi 指出，目標是模仿這種生物物理學壯舉，以便將來推動小型潛艇或自主航行器。正如他所指出的，為了我們的目的而調整這種水生運動將是向前邁出的一大步。他說，以目前的技術，大多數“水環境中的各種推進都是連續的”。螺旋槳甚至噴水艇都會產生持續的運動。相比之下，受章魚啟發的推進“將是您實際使用不連續噴射的第一個例子”。而且不僅僅是為了新奇。 “這很有趣，”他評論道，“因為似乎它特別有效。”重新建立渦環可以為水下航行器提供極其高效的加速。
但是你不能只是綁上一個大火雞滴管，裝滿水然後擠壓。章魚的系統比這更細緻、更精細。 “當然，這裡最複雜的方面是重現他的這種能力，即稍微收縮一下，外套膜的寬度，並顯著改變內部的體積，從而使其發生位移，”Giorgio Serchi 說。 “這是一個挑戰。”
然而，章魚卻輕鬆地做到了這一點。因此，Giorgio Serchi 決定不重新發明眾所周知的輪子。相反，他取了一個真正的章魚外套膜的鑄件，然後在矽膠中重建了它。他向我展示了詳細的模型。甚至還有器官所在的腔體，目前他已用電子元件填充。 “這是一個很大的近似值，”他承認。但結果也應該有助於生物學家瞭解這些頭足類動物是如何游泳的。
機器人專家的下一步是為他們的創造物新增靈活的智慧。除了工程挑戰之外，Laschi 和“章魚整合專案”的其他研究人員還面臨著一個生物學問題：“大腦相對較小的動物如何控制如此大量的身體自由和感官資料？”關於動物如何做到這一點，目前還沒有定論，但這並不能阻止工程師們。因此，Laschi 用了兩個詞：具身智慧。這意味著身體的每個部分——章魚或機器人——至少在某種程度上可以控制自身。
為了如此精巧地控制所有這些手臂，“一定存在大量的具身智慧，”她說。 “每隻手臂都有許多神經元，並控制著很大一部分運動，但我們沒有來自神經科學的關於它是如何工作的真實模型。
不僅神經科學未能解釋這些能力，而且傳統機器人技術也相形見絀。機器人控制一直基於剛性的、有限的運動。但是，當您擁有近乎無限的運動範圍和多個部件時，您該怎麼辦？當然，這正是生物學家在研究章魚本身時也遇到的困境。
在尋找解決方案時，Laschi 和她的團隊轉向了一個常見的進化答案：學習。正如我們和許多動物——包括頭足類動物——在年幼時學會如何控制我們的肢體一樣，這些軟體機器人也將如此。這種方法之所以吸引人，部分原因在於它不需要詳盡的建模。隨著時間的推移，章魚機器人可以學習將單個動作應用於許多不同的任務，並將各種動作組合起來以應對更復雜的挑戰。如果它遇到障礙物——例如海底的岩石——它可能會執行各種已知的命令組合。一旦它找到使其能夠克服岩石的運動或運動組合，它就會記住在面對類似的障礙時使用相同的技術。從這個意義上說，它應該像我們一樣學習，並最終變得更加“智慧”。
為了創造一個智慧機器人，該團隊首先需要設計身體反饋系統，包括在手臂中新增更多感測器，以檢測肢體伸展或收縮的程度。科學家們或許能夠將形狀記憶合金彈簧本身用作感測器。 “我們將同時擁有觸覺感測器和某種位置感測器，”Laschi 說。
工程師們在將神奇的章魚轉變成機器人的道路上還有很長的路要走。在未來的幾年裡，他們的成就和失敗都將為我們提供關於海洋中最狡猾的生物之一的生物學的新見解，並幫助機器人技術超越剛性結構的限制，擁抱更智慧、更靈活的形式。