沒有芯片的超材料機(jī)器人，靠“振動”計(jì)算，用“身體”走路

你也許見過會走路、會翻跟頭的機(jī)器人，但它們背后幾乎都離不開芯片和程序代碼。但如果我告訴你，有一臺機(jī)器人，它的“計(jì)算”不是靠電路，而是靠振動，你信嗎？

天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，近日在《自然通訊》（Nature Communications） 上發(fā)表了一項(xiàng)最新成果。他們造了一臺超材料機(jī)器人，它沒有傳統(tǒng)的處理器，卻能用彈性波完成微積分、邏輯運(yùn)算，甚至根據(jù)計(jì)算結(jié)果自主轉(zhuǎn)向和爬行。

01.

什么是超材料機(jī)器人？

超材料是一類人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料。它的特殊之處在于，材料的性能不只看成分，更看排列方式。換句話說，超材料的神奇之處在于，科學(xué)家可以通過設(shè)計(jì)微小的單元結(jié)構(gòu)，比如特定形狀的金屬環(huán)、彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)、蜂窩狀格子等，讓整個材料表現(xiàn)出自然界中不存在的物理特性。

在這項(xiàng)研究中，機(jī)器人身體由一排六邊形模塊組成，模塊之間用彈簧片連接。底部設(shè)計(jì)了鋸齒狀的支腳，前后摩擦力不同，這為后續(xù)的運(yùn)動奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵的設(shè)計(jì)是，機(jī)器人的身體被分成了三個功能區(qū)域，類似于一臺機(jī)械版的傅里葉光學(xué)計(jì)算機(jī)。第一個區(qū)域?qū)斎氲恼駝硬ㄗ觥案道锶~變換”，可以理解為把一段復(fù)雜的振動，拆解成不同頻率的成分；第二個區(qū)域執(zhí)行具體的計(jì)算，比如微分、積分；第三個區(qū)域再做一次逆變換，把修改后的頻率成分翻譯回原來的振動波形，輸出結(jié)果。

而這個輸出波形在機(jī)器人身體上的分布是不均勻的。有的地方振動強(qiáng)，有的地方弱。機(jī)器人的鋸齒狀支腳對不同方向摩擦力的響應(yīng)不同，于是振動強(qiáng)的那一側(cè)就會走得更快或更慢，機(jī)器人就會轉(zhuǎn)向或直行。

值得注意的是，整個過程不需要任何電子芯片，完全是機(jī)械結(jié)構(gòu)自己在“算”。

超材料機(jī)器人及其組件的示意圖和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br/>

02.

它真的會“算數(shù)”嗎？

會，而且算的還不止一種。

研究人員展示了多種模擬計(jì)算功能。比如，通過調(diào)整中間層的質(zhì)量分布，機(jī)器人可以對輸入的波形做一階微分或一階積分。理論上，它還能做卷積、解積分-微分方程。

更讓人意外的是，這臺純機(jī)械裝置還能實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯。

他們把“有信號”當(dāng)作二進(jìn)制“1”，“無信號”當(dāng)作“0”，用同一套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 AND（與）、OR（或）、XOR（異或） 邏輯門。這意味著，它可以執(zhí)行二進(jìn)制運(yùn)算，雖然不是電子計(jì)算機(jī)的速度，但原理上是完備的。

研究中最吸引人的，是他們用機(jī)械波模擬了類量子態(tài)的矩陣運(yùn)算。

他們把兩路信號當(dāng)成一組“狀態(tài)對”來處理，也就是把兩個信號看作一個組合，類似00、01、10、11這樣。然后，利用雙縫干涉、衍射這些經(jīng)典的波動現(xiàn)象，在機(jī)械結(jié)構(gòu)里完成了矩陣乘法。

換句話說，這臺機(jī)器人可以在機(jī)械層面完成2×2 或 4×4 的矩陣乘法，這是很多信息處理任務(wù)的基礎(chǔ)。

不過，論文特別強(qiáng)調(diào)，這只是一種數(shù)學(xué)上的類比，與真正的量子計(jì)算無關(guān)。

03.

一次輸入，多個任務(wù)并行

傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備一次只能做一件事。但這項(xiàng)研究展示了一個有意思的特性：非線性諧波。

當(dāng)輸入一個基礎(chǔ)頻率的振動時，由于材料的非線性，系統(tǒng)會自動產(chǎn)生倍頻和分頻成分。簡單說就是，一個輸入，自動附帶多個不同頻率的成分。

有意思的是，這些不同頻率的波在同一個身體里傳播時，計(jì)算規(guī)則是不一樣。也就是說，同一個輸入，不同頻率的波在“算”不同的東西。

但多件事一起算，輸出是混在一起的，怎么辦？

機(jī)器人后端加了一層周期性濾波層，它的作用相當(dāng)于一個頻率篩選器。論文描述了兩種工作模式：一種是讓所有頻率都通過，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行輸出；另一種是只保留特定頻率，甚至可以將不同諧波的計(jì)算結(jié)果翻譯到同一頻率上，方便后續(xù)處理。

這相當(dāng)于在同一臺硬件上，實(shí)現(xiàn)了頻域上的并行計(jì)算。

04.

能直行、轉(zhuǎn)彎、追目標(biāo)

論文中最扎實(shí)的部分，是大量的機(jī)器人爬行實(shí)驗(yàn)。研究人員用激光振動儀測量不同位置的振動幅值，然后觀察機(jī)器人如何運(yùn)動。

結(jié)果很驚喜！

當(dāng)輸出波形對稱時，機(jī)器人直行；當(dāng)波形偏向左或右側(cè)時，機(jī)器人會相應(yīng)轉(zhuǎn)向；他們甚至演示了目標(biāo)追蹤：輸入信號隨目標(biāo)位置變化，機(jī)器人通過微分運(yùn)算自動調(diào)整方向，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋跟蹤。

在更復(fù)雜的路徑測試中，這臺機(jī)器人完成了90度直角彎、C形彎、銳角/鈍角轉(zhuǎn)彎，并成功繞過多個障礙物從起點(diǎn)走到終點(diǎn)。它還展示了負(fù)重、跨越縫隙、爬坡等能力。

機(jī)器人爬行實(shí)驗(yàn)演示

所有這些行為，都沒有用到任何電子控制，全部由機(jī)械波的計(jì)算結(jié)果直接驅(qū)動。

05.

未來與結(jié)語

這個新的發(fā)明并非要取代現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)或機(jī)器人。它的價值在于提出了一種不同的可能性——智能不一定非要用芯片實(shí)現(xiàn)。在高溫、強(qiáng)輻射、需要長期免維護(hù)的場景等特殊環(huán)境下，電子設(shè)備可能失效。這時候，一臺純機(jī)械的、會算數(shù)的機(jī)器人，或許就是一個值得嘗試的解決方案。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段。它的計(jì)算精度、速度、可擴(kuò)展性都還有很大提升空間。但它的思路很有意思，把計(jì)算編織進(jìn)材料本身，讓身體成為大腦。這也許就是具身智能的一個生動注腳。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71368-1