《清华创新的水生机器人集群系统可适配通信完全中断的极端场景》

清华大学深圳国际研究生院教授弥胜利团队与深圳清华大学研究院副研究员黄嘉骏团队合作，提出了一种基于光场吸引与流体排斥耦合的水生机器人集群系统，成果发表于国际期刊《Science Advances》。

自然界中有一种数学规律——幂律分布。这种看似无序却内在有序的现象，背后隐藏着被称为“自组织临界性”的普适原理，使得处于临界状态的系统能在稳定与失稳的边缘自发维持动态平衡，既保持整体秩序，又孕育丰富的局域行为。然而，在人工物理系统中主动构建这种临界特性，一直是一个难题。

在该研究中，每个机器人通过可见光信号相互吸引，同时利用振动薄膜产生的水波形成流体反馈式排斥。两种物理场的长程非线性耦合，使系统在无需外部精细调控的条件下，自发演化出具有幂律分布特征的“相关簇”，在流体环境中的机器人集群展示了可复现的自组织临界状态。

该研究为理解复杂系统中的临界现象提供了可控实验平台，也为发展低编程依赖、强环境适应性的自主群体智能系统提供了新思路。

此项创新发明的整套系统由64台（每台80立方厘米的）三棱柱微型水面机器人组成，单台体积小巧、可批量投放水域。这款机器人单体设计极其简单，没有高端芯片、复杂代码，全程只靠两套最基础的物理本能，就可以实现所有协同操作：

一是趋光吸引、自主抱团，每台机器人都搭载着光敏电阻和LED灯，自带“追光本能”，就像飞蛾扑光一样，它们会主动向光源和/或发光同伴靠拢，形成自发的集群效应。

二是水波排斥、自然散开。机器人滑行激起的细微水波，会形成无形的弹性屏障，故当彼此之间靠得太近时，水波斥力会自动推开彼此，避免扎堆卡死，让整个集群始终保持灵活有序的状态。这64台机器人同时入水时不需要任何指挥调度，一旦水面出现发光信号源，它们就会瞬间自主集结、协同发力，稳稳推动重物在水面移动。如果放置两个信号源，机器人还能精准分布在两点之间，用身体搭建出一座连贯的“集群桥梁”，具有高度稳定可靠的自组织能力。

相比之下，此项创新的颠覆性协同逻辑是：传统无人机集群必须依靠公用移动通信基站（移动设备接入互联网的接口设备）、中心控制台的统一调度；而这套机器人却实现了无控制中心、无需网络、不用预设复杂协同代码，仅依靠简单物理规则自主协作，即追光信号、个体间相互吸引、水波作用力互相排斥。

该成果突破了群体智能机器人依赖集中通信的技术瓶颈，为无信号极端环境下的水上机器人集群作业提供了全新的技术路线。因为目前的主流无人机集群如无人机蜂群、地面机器狼群、海上无人艇编队，全部依赖网络通信和程序调度，依靠设备间数据交互协作，一旦断网、信号异常或程序出错，集群协作就会瘫痪。而清华大学创新的水面机器人集群实现了颠覆性突破，其操作全程可实现零联网与零中心控制。

　　此项极简智能创新成果适配通信完全中断的极端水域场景：即深海探测，洪涝灾害救援中快速搭建临时水上通道、转运被困人员物资，以及近海生态水质分布式监测与无人危险水域勘探、水上抢险作业。

参考资料：

1.央视13频道7月5日《朝闻天下》中的一则新闻报道

2.清华大学新闻报道（https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/126411.htm ） 

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