縱觀自然界的各種生物體，不論是形貌結(jié)構(gòu)、還是物理化學(xué)特性，都完美地適應(yīng)著大自然的各種變化與挑戰(zhàn)。正如 DNA 的發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主 Francis Crick 說(shuō)過(guò)的，“生物是進(jìn)化而來(lái)的，而不是被設(shè)計(jì)的?！?那么將其帶入到科研領(lǐng)域，又能給研究人員帶來(lái)怎樣的啟發(fā)？

研究人員因此投入到對(duì)材料 “自我學(xué)習(xí)” 的研究，并開發(fā)出一種特殊的 “液晶網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器”，這讓他們可以“訓(xùn)練” 塑料片在光線的控制下行走。該方法的研究論文發(fā)表在了最新一期的 Matter 雜志上，這是他們合成的執(zhí)行器第一次根據(jù)其過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái) “學(xué)習(xí)” 新的技巧，而并不需要計(jì)算機(jī)編程。

動(dòng)圖 | 正在 “行走” 的塑料片（來(lái)源：曾浩、張航）

這些由熱響應(yīng)液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)和染料涂層制成的塑料，被稱為 “軟致動(dòng)器”，它可以將能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在研究最初階段，執(zhí)行器只能響應(yīng)熱量，但通過(guò)將光與熱量相結(jié)合，它又學(xué)會(huì)了響應(yīng)光。其響應(yīng)方式很像人類卷曲食指的動(dòng)作，當(dāng)致動(dòng)器被照射時(shí)，通過(guò)自身彎曲進(jìn)行周期性的蠕動(dòng)。它的“行走” 速度是 1 mm/s，跟蝸牛的步伐差不多。

該論文的并列第一作者曾浩博士和張航博士都來(lái)自中國(guó)，目前在芬蘭進(jìn)行博士后研究工作。論文的另外兩位作者，分別是阿爾托大學(xué)的教授 Olli Ikkala 和坦佩雷大學(xué)的教授  Arri Priim?gi。

DeepTech 和兩位中國(guó)一作進(jìn)行了深入交流，了解這項(xiàng)研究以及二人的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

靈感源于巴浦洛夫的狗

此前，常規(guī)的記憶材料或者具有響應(yīng)性質(zhì)的智能材料，它們的性能都是人為設(shè)計(jì)的。換句話說(shuō)，其記憶形狀、形變與否，是源于分子層面或結(jié)構(gòu)力學(xué)角度的設(shè)計(jì)，其目的也是為了更好地實(shí)現(xiàn)人為控制。

但這種能夠 “自我學(xué)習(xí)” 的材料是如何煉成的？

曾浩告訴 DeepTech ：“我們這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)靈感，來(lái)自于巴浦洛夫的狗的條件反射實(shí)驗(yàn)。”

巴普洛夫的條件反射實(shí)驗(yàn)是這樣的：狗在食物面前會(huì)流口水，但在一開始聽到鈴聲，不會(huì)有所反應(yīng)。然而，當(dāng)反復(fù)地讓食物與鈴聲一同出現(xiàn)，狗會(huì)在腦海中將食物和鈴聲關(guān)聯(lián)在一起。之后，只要聽到鈴聲，即便沒(méi)有看到食物，狗也會(huì)流口水。

“如果將智能材料的各種響應(yīng)（如形狀改變）類比于狗的流口水，而各種外界刺激（如光、熱），看成是對(duì)狗體現(xiàn)的食物和鈴聲。那一種材料能夠?qū)崿F(xiàn)自我學(xué)習(xí)，就意味著它對(duì)原本中性的刺激產(chǎn)生了條件反射。”曾浩說(shuō)道。

在他們?cè)O(shè)計(jì)的液晶網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器中，材料的 “學(xué)習(xí)過(guò)程” 是基于染料的擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)的：材料在加熱情況下會(huì)發(fā)生形變，在光照下則不為所動(dòng)。但當(dāng)加熱與光照并存時(shí)，附于薄膜一側(cè)的染料顆粒會(huì)快速擴(kuò)散進(jìn)液晶網(wǎng)絡(luò)（體材料）的內(nèi)部，從而大大增強(qiáng)材料對(duì)光的吸收能力以及光熱效應(yīng)。而單純的加熱或者光照都不會(huì)讓染料有明顯的擴(kuò)散。于是，經(jīng)過(guò)這種 “訓(xùn)練” 之后，材料便獲得了對(duì)光的響應(yīng)性——也就是習(xí)得了“條件反射”。

圖 | 通過(guò)關(guān)聯(lián)兩個(gè)刺激的經(jīng)典條件執(zhí)行器（來(lái)源：Matter）

坦佩雷大學(xué)的教授，也是本文的作者之一  Arri Priim?gi 表示：“我們的研究本質(zhì)上是在問(wèn)一個(gè)無(wú)生命的材料是否能以一種非常簡(jiǎn)單的方式學(xué)習(xí)的問(wèn)題。我的同事，阿爾托大學(xué)的 Olli Ikkala 教授提出了如果材料可以學(xué)習(xí)會(huì)意味著神秘？這引發(fā)了我們的興趣?！?/span>

“有許多人會(huì)說(shuō)，我們把設(shè)計(jì)的這個(gè)自我學(xué)習(xí)的小軟體機(jī)器人比喻得太遠(yuǎn)了?！?Arri Priim?gi 說(shuō)道，“從某種意義上說(shuō)，這些人是正確的，因?yàn)榕c生物系統(tǒng)相比，我們研究的材料還很簡(jiǎn)單并且有限。但即便是在他們正確的情況下，我們的研究和巴浦洛夫?qū)嶒?yàn)的比喻也仍然成立?！?/span>

張航對(duì) DeepTech 說(shuō)：“傳統(tǒng)的軟體機(jī)器人大多都擁有對(duì)外界刺激的響應(yīng)性，比如對(duì)光或氣壓等。但此類響應(yīng)性一般不會(huì)隨時(shí)間的變化或自身的經(jīng)歷而發(fā)生變化。我們的研究主要是讓材料擁有了通過(guò)條件反射獲得新響應(yīng)性的能力，盡管此能力仍然非常的原始和簡(jiǎn)單，并且在機(jī)理上與生物體的學(xué)習(xí)完全不同，但它的外在表現(xiàn)符合經(jīng)典條件反射的邏輯?！?/span>

“而這正是我們的設(shè)計(jì)與之前相關(guān)研究的最大不同之處?！睆埡秸f(shuō)，“我們預(yù)計(jì)擁有‘自我學(xué)習(xí)’能力的軟體機(jī)器人，會(huì)成為該領(lǐng)域的下一個(gè)突破方向，并最終給人們帶來(lái)更加智能化的軟體機(jī)器人?！?/span>

圖 | 液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)制成的人造巴甫洛夫狗（來(lái)源：曾浩、張航）

對(duì)于接下來(lái)的研究，他們表示下一步是要增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和可控性級(jí)別，以便找到可以被生物系統(tǒng)使用的類比的極限?！拔覀兊淖罱K目的是實(shí)現(xiàn)人工材料的深層次仿生，以及軟體機(jī)器人的高度自動(dòng)化?！痹普f(shuō)。

針對(duì) DeepTech 關(guān)于其在應(yīng)用角度的提問(wèn)，張航表示：“從這種材料的特性來(lái)看，它能作為可遠(yuǎn)程控制的可調(diào)軟微型機(jī)器人，未來(lái)會(huì)是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想材料。但就目前而言，這項(xiàng)研究還處于初級(jí)理論階段，距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離?！?/span>

對(duì)于下一步的研究，張航和曾浩有著類似的規(guī)劃：我們會(huì)繼續(xù)專注于發(fā)現(xiàn)更多更好的、能實(shí)現(xiàn)經(jīng)典條件反射的材料體系。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，擁有經(jīng)典條件反射能力是使材料擁有真正復(fù)雜學(xué)習(xí)能力的第一步。而這些材料預(yù)計(jì)在未來(lái)能為我們帶來(lái)更加智能的、對(duì)環(huán)境有更好適應(yīng)能力的、可自主學(xué)習(xí)并進(jìn)化的機(jī)器人或其他人造體系。

二人的學(xué)習(xí)經(jīng)歷

圖 | 曾浩博士  （來(lái)源：本人提供）

曾浩，本科和碩士均畢業(yè)于南開大學(xué)物理學(xué)院，分別在 2008 年和 2011 年獲得了光子學(xué)與技術(shù)的學(xué)士和碩士研究生學(xué)位。在 2011 年到 2015 年期間，在意大利的佛羅倫薩大學(xué)讀博士，師從 Diederik Wiersma 教授，也正是在博士期間，開始接觸到液晶聚合物人工肌肉材料，以及其激光微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的研究。

在 2016 年，他前往芬蘭的坦佩雷大學(xué)并跟隨 Arri Priim?gi  教授進(jìn)行博士后研究，并于 2018 年獲得了芬蘭國(guó)家學(xué)院博后研究員稱號(hào)。曾浩長(zhǎng)期從事光控微型機(jī)器人的開發(fā)研究，力圖在光響應(yīng)智能材料中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自適應(yīng)功能。

在一個(gè)很偶然的機(jī)會(huì)，他接觸到芬蘭阿爾托大學(xué)的 Olli Ikkala 教授，也就被這個(gè)充滿想象力的、能 “自我學(xué)習(xí)” 的材料的研究設(shè)想所深深吸引。隨后，他便和 Olli Ikkala 課題組的博后研究員張航共同設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案。最后在兩個(gè)課題組的共同努力之下，非常幸運(yùn)地完成了在 Matter 上發(fā)表的工作。

圖 | 張航博士（來(lái)源：本人提供）

張航，本科畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，碩士則畢業(yè)于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)化學(xué)專業(yè)。他于 2017 年在位于亞琛的萊布尼茨交互材料研究所獲得了博士學(xué)位，研究課題為基于水凝膠的光驅(qū)動(dòng)軟微機(jī)器人。隨后，便在芬蘭的阿爾托大學(xué)進(jìn)行博士后的研究至今。

他的研究方向主要包括等離子體納米顆粒的自組裝、可編程凝膠，以及軟機(jī)器人。一直以來(lái)，張航都對(duì)使用人造材料來(lái)實(shí)現(xiàn)各種不同的生物擬態(tài)和仿生功能十分感興趣，因此加入了阿爾托大學(xué) Olli Ikkala 教授的課題組，從事在人造材料里實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)功能的研究。