章鱼是海洋中最复杂、最奇异和最聪明的生物之一。它们可以挤过比四分之一硬币还小的孔洞，拉动数百磅的力，瞬间改变皮肤的颜色和纹理，并且凭借它们核桃大小的大脑，弄清楚如何打开儿童安全药瓶以获取美味的螃蟹。 凭借如此令人印象深刻的技能，工程师们开始提出这样的问题只是时间问题：我们能否制造出像章鱼一样行动的机器人？
“章鱼集成项目”是试图回答这个问题的团队之一。这项由多家机构参与的国际合作项目正致力于开发一种完全自主的章鱼机器人，它可以像真正的软体动物一样，完成任何硬关节机器人永远无法完成的壮举。
Cecilia Laschi 是意大利比萨圣安娜高等研究学院的生物机器人研究员，一直负责协调这项工作。她和她的同事于 2010 年完成了原型分离式章鱼手臂，现在正在制造身体的其余部分——从外套顶部到手臂尖端。他们的目标是创造一种像章鱼一样在水下移动并能够进入狭小空间的机器人。它对于搜索和救援以及探索可能非常宝贵。但也许该项目最令人兴奋的目标是证明创造完全软体机器人是可能的。
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我拜访了 Laschi 和她的同事们在里窝那的实验室，那里离比萨只有一小段火车车程。 Laschi 的一位研究员，生物机器人博士 Laura Margheri，带领我进入了这座海边的小型设施。里面，许多侧门敞开着，让温和的利古里亚海风和港口船只的景色吹进来。在成排的工作站上，一些研究生和博士后在电脑前辛勤工作，并摆弄着原型。在实验室的中心，头部位置，是一个大型、设备齐全的盐水缸，里面有岩石、海星和一只上了年纪但仍然活跃的章鱼。这只吉祥物名叫 Andreino（向一位抓住他的前同事致敬）。
Margheri 一直在测试章鱼的自然能力，希望能将其模仿到机器人身上。她设计了一些巧妙的实验，以了解章鱼的肌肉静水骨骼手臂可以伸展多远。在一项练习中，章鱼用长长的手臂从长管内取回食物——这是它只需经过几天内的五次训练就能学会做的事情。然后，Margheri 将食物放置在管子更深处，并测量这些舌状手臂可以伸展多远。事实证明，这些手臂可以伸展到大约原长度的两倍——这确实是一项工程挑战。
项目负责人的自身背景更偏向于传统机器人技术。 “我习惯于使用具有刚性连杆的机器人，”Laschi 解释说。在与神经科学家合作并更多地了解我们自己的大脑以及我们如何协调我们的身体后，她开始对经典机器人的传统刚性以及肌肉等结构的缺失感到有些沮丧。因此，她和一些更偏向生物学的合作者开始计划一个大胆的软体机器人项目。还有什么比章鱼更好的模型呢？ “所有生物系统都有一些柔软的材料，”她说，“但章鱼非常特别，因为它只有柔软的材料”（当然，喙除外）。 “所以我们将其视为极端情况——如果你研究光谱的这一端，你就可以解决其他问题。”哈佛大学的一个小组开发了一种受章鱼启发的四足机器人，它可以在陆地上缓慢移动，甚至可以（缓慢地）进行颜色伪装。但这仍然需要连接到空气和液体泵以及外部控制来引导它。
为了更完整地模仿章鱼——从内到外——Laschi 的团队使用了超声波技术来获得章鱼手臂及其所有肌肉工作状态的罕见内部视图。 Laschi 实验室的另一位生物机器人专家 Matteo Cianchetti 插话说，这种视角有助于阐明“章鱼手臂运动的秘密”。在没有骨骼的情况下，三组肌肉赋予章鱼手臂灵活性和结构，使其能够改变方向、长度甚至刚度。为了复制肌肉，研究人员正在使用由形状记忆合金制成的电缆和弹簧，这些合金在被电流加热时会弯曲，随后又恢复到原来的形状。
虽然肌肉本身可以延伸远远超出其典型长度，但每只手臂中的中枢神经索却不能。相反，每个神经束都折叠成锯齿形结构，有点像手风琴，这样它就可以随着手臂的伸展而展开。 Margheri 和她的团队从活章鱼身上获得启发，正在以波浪形模式将处理线束装入手臂的中心。
Cianchetti 向我展示了一个硅胶皮肤原型，它呈幽灵般的灰色。通过拉动几根电线，他使其卷成螺旋状。我伸出手指，分离的手臂毫不费力地用橡胶般的皮肤紧紧地包裹住我的手指，这让人感到不安。凭借手臂的形状、比例和内部的“肌肉”，它自然而然地缠绕在它所抓住的任何东西上。 “它会自动适应那个形状，”Cianchetti 说。太棒了，我不禁打了个寒颤。
研究人员正在机器人手臂上安装集成触觉感知的传感器，并希望也添加某种吸盘状的附属物。然而，这些吸盘的行为可能与活章鱼的吸盘不完全相同，活章鱼的吸盘既强大又用途广泛——能够旋转、折叠甚至品尝周围的环境。包括布鲁克林学院 Frank Grasso 实验室在内的其他团队正在开发更精细的机器人吸盘。美国陆军研究实验室与其他科学家合作，已经开始 3D 打印超强、单独激活的吸盘。
从事章鱼机器人研究的科学家们仔细选择材料，以便机器人能够在水下长时间良好地工作而不会腐蚀。 “章鱼集成项目”团队正在使用的硅胶的密度几乎与水相同，因此它具有浮力——就像真正的章鱼一样。
因为水下机器人，无论多么令人印象深刻，只有在能够移动的情况下才能真正发挥作用，因此一些实验室成员正在研究各种形式的运动。另一位生物机器人专家 Marcello Calisti 正在解决行走问题。大多数真正的章鱼更多地用后臂行走，同时用前臂四处摸索。但对于人造版本，机器人专家可能会让它用前臂伸出，连接一些吸盘，然后拉动，这种策略也将有助于探索和确定方向运动。
Calisti 的工作站旁边是一个半满的充气儿童游泳池，用于测试水下爬行和其他任务。 Calisti 向我展示了他目前的原型，它由硬质材料电机和固定电缆制成，只有六条手臂，看起来仍然相当原始。但是当 Calisti 播放一段它像蜘蛛一样爬行的视频时，有一些令人毛骨悚然的地方。 “这有点令人毛骨悚然，”他承认。到目前为止，他们已经能够对其进行外部编程，将其放入游泳池中，并观察它定位和检索物体。但目标是最终将指挥中心放在其内部（并给它完整的八条腿和完全柔软的身体）。
当然，爬行并不是章鱼唯一的移动方式。在现实世界中，当章鱼需要快速逃生时，它们会选择喷射动力游泳。在实验室的另一端，Francesco Giorgio Serchi 试图用硅胶重新创造章鱼的推进系统。章鱼用来推进自身的水射流会产生一股称为涡环的漩涡。真正的动物通过使用其外套膜肌肉吸入并通过漏斗喷出水来产生这种力。
科学家们现在才弄清楚涡环的流体动力学，鱿鱼和其他一些水下动物也使用涡环。 Giorgio Serchi 指出，目标是模仿这种生物物理学壮举，以便将来推动小型潜艇或自主航行器。正如他所指出的，为了我们的目的而调整这种水生运动将是向前迈出的一大步。他说，以目前的技术，大多数“水环境中的各种推进都是连续的”。螺旋桨甚至喷水艇都会产生持续的运动。相比之下，受章鱼启发的推进“将是您实际使用不连续喷射的第一个例子”。而且不仅仅是为了新奇。 “这很有趣，”他评论道，“因为似乎它特别有效。”重新创建涡环可以为水下航行器提供极其高效的加速。
但是你不能只是绑上一个大火鸡滴管，装满水然后挤压。章鱼的系统比这更细致、更精细。 “当然，这里最复杂的方面是重现他的这种能力，即稍微收缩一下，外套膜的宽度，并显着改变内部的体积，从而使其发生位移，”Giorgio Serchi 说。 “这是一个挑战。”
然而，章鱼却轻松地做到了这一点。因此，Giorgio Serchi 决定不重新发明众所周知的轮子。相反，他取了一个真正的章鱼外套膜的铸件，然后在硅胶中重建了它。他向我展示了详细的模型。甚至还有器官所在的腔体，目前他已用电子元件填充。 “这是一个很大的近似值，”他承认。但结果也应该有助于生物学家了解这些头足类动物是如何游泳的。
机器人专家的下一步是为他们的创造物添加灵活的智能。除了工程挑战之外，Laschi 和“章鱼集成项目”的其他研究人员还面临着一个生物学问题：“大脑相对较小的动物如何控制如此大量的身体自由和感官数据？”关于动物如何做到这一点，目前还没有定论，但这并不能阻止工程师们。因此，Laschi 用了两个词：具身智能。这意味着身体的每个部分——章鱼或机器人——至少在某种程度上可以控制自身。
为了如此精巧地控制所有这些手臂，“一定存在大量的具身智能，”她说。 “每只手臂都有许多神经元，并控制着很大一部分运动，但我们没有来自神经科学的关于它是如何工作的真实模型。
不仅神经科学未能解释这些能力，而且传统机器人技术也相形见绌。机器人控制一直基于刚性的、有限的运动。但是，当您拥有近乎无限的运动范围和多个部件时，您该怎么办？当然，这正是生物学家在研究章鱼本身时也遇到的困境。
在寻找解决方案时，Laschi 和她的团队转向了一个常见的进化答案：学习。正如我们和许多动物——包括头足类动物——在年幼时学会如何控制我们的肢体一样，这些软体机器人也将如此。这种方法之所以吸引人，部分原因在于它不需要详尽的建模。随着时间的推移，章鱼机器人可以学习将单个动作应用于许多不同的任务，并将各种动作组合起来以应对更复杂的挑战。如果它遇到障碍物——例如海底的岩石——它可能会运行各种已知的命令组合。一旦它找到使其能够克服岩石的运动或运动组合，它就会记住在面对类似的障碍时使用相同的技术。从这个意义上说，它应该像我们一样学习，并最终变得更加“智能”。
为了创造一个智能机器人，该团队首先需要设计身体反馈系统，包括在手臂中添加更多传感器，以检测肢体伸展或收缩的程度。科学家们或许能够将形状记忆合金弹簧本身用作传感器。 “我们将同时拥有触觉传感器和某种位置传感器，”Laschi 说。
工程师们在将神奇的章鱼转变成机器人的道路上还有很长的路要走。在未来的几年里，他们的成就和失败都将为我们提供关于海洋中最狡猾的生物之一的生物学的新见解，并帮助机器人技术超越刚性结构的限制，拥抱更智能、更灵活的形式。