Barbara Mazzolai：打造可持续机器人新领域

芭芭拉·马佐莱

任职机构：意大利技术研究院

职务：机器人学副主任；仿生软体机器人实验室主任

教育背景：比萨大学生物学硕士；圣安娜高等学院生态管理与审计体系硕士；罗马托尔维加塔大学微系统工程博士

如今担任意大利热那亚意大利技术研究院机器人学副主任的马佐莱，同时也认为工程学需要正视自身对自然界造成的影响。这正是她倡导建立一个名为"可持续机器人学"新研究领域的原因。

在今年7月发表于《自然·机器智能》的一篇宣言文章中，她与合作者们勾勒出一种全新的机器人设计理念，旨在改善自然、人类与技术之间的关系。

她说："我们需要减少技术带来的环境足迹。这实际上是关于以不同方式思考，为机器人学、为社会开辟新的可能性。"在这种全新的思维模式下，马佐莱将可持续性视为设计的核心组成部分。

自然之子

马佐莱对生命世界的痴迷可以追溯到她的童年，那时她在意大利托斯卡纳海岸、靠近里窝那港口城市的地方长大。她的父亲是一名公共卫生检查员，同时也是专业的真菌学家，一家人常常在森林中探索，学习当地的真菌和植物知识。

在权衡了追求艺术这一另一大爱好的可能性之后，马佐莱最终于1987年决定进入比萨大学攻读生物学。她对海洋生物学尤为着迷，但在1995年即将获得硕士学位之前，她在意大利国家研究委员会生物物理研究所获得了一个研究职位，从事汞等重金属在环境中生物与非生物部分循环的研究。

这项工作涉及采集和分析水、土壤、蔬菜甚至人体样本，以了解这些金属对健康和环境的影响。与此同时，她还在比萨的圣安娜高等学院学习环境管理，并于1998年获得硕士学位。

然而在那段时间里，她了解到学校正在招募生物学家协助设计新型环境监测设备。她申请并于1999年获得了这份工作，开始在著名仿生机器人学家保罗·达里奥的指导下担任研究助理，先是开发传感器，随后开发用于监测空气、水和土壤的机器人。

甚至在进入博士项目之前，马佐莱就于2004年晋升为助理教授，不久之后她首次涉足仿生机器人学领域。她与圣安娜的同事合作，设计出一款以章鱼为灵感的软体机器人。她说："我们提出这个方案，是为了启动软体机器人学这一理念的范式：证明机器人可以是柔软的，但同时又能像动物一样对环境施加强大的力量。"

重返校园

2007年，马佐莱在罗马托尔维加塔大学攻读微系统工程博士学位，同时兼顾在圣安娜的工作。她当时已经在很大程度上依赖微加工技术来为机器人开发传感器，并且渴望推动这一领域向前发展。

她说，虽然机器人经常配备用于感知的传感器，比如触觉或本体感受传感器，但这些系统通常专注于理解机器人在环境中的位置。她补充道："但很少有机器人整合了物理或化学传感器，能够真正理解它们所处的环境。"

"我一直对生命体着迷，对自然界极其丰富多样的解决方案着迷。"

2009年，马佐莱被任命为意大利技术研究院微生物机器人中心的团队负责人，继续从事新兴的仿生机器人学研究。两年后，她完成博士学位，并晋升为该中心主任。

播下种子

马佐莱说，大约在这个时期，她对以植物作为新型机器人模型产生了兴趣，将仿生学的范畴从动物扩展开来。她尤其被植物根系高效探索地下环境的能力所吸引，并设想具备同样灵巧性的机器在环境建模和精准农业方面都能有所应用。

尽管许多仿生机器人模仿的是动物，但植物同样是马佐莱的灵感缪斯。这款藤蔓状机器人可以像葡萄藤一样缠绕在其他结构上。

当她最初提出这一想法时，同事们对基于看似静止的生物体制造机器人有些持怀疑态度。但事实上，她说，植物通过一种被称为"无限生长"的过程不断运动。她说："它们实际上一生都在生长，会根据外部环境调整自身形态和行为；它们会自我修复、感知、交流。"

然而，试图模仿一种与传统机器人学原理如此不同的系统，确实需要认真思考。马佐莱表示，从事仿生机器人学工作有时需要拥有"两个独立的大脑"——一个是生物学家的思维，一个是工程师的思维。

这一过程通常需要深入研究目标生物体，了解塑造其运作方式的基本原理，然后才能尝试设计出能够模仿这些原理的机器人。马佐莱说："这并不是对自然生物体的复制"，因为活体生物既难以复制，其目标也与机器人不同。

以植物根系为例，它们之所以能如此高效地探索土壤，是因为它们只在结构最细的尖端生长，从而减少摩擦，而根部较粗的基部则保持静止。与必须从上方推动整个结构的传统钻头相比，这大大减少了穿透地面所需的能量。

为了在机器人身上实现这一原理，她的团队开发了一种微型3D打印机，安装在机器的尖端，通过加热喷嘴输送热塑性长丝，在其后方构建出蛇形身体。这使得机器人能够高效地穿透土壤。尖端还包含传感器，使其能够避开障碍物，探测附近的养分或水分。

让机器人学变得可持续

在职业生涯中如此长时间地向自然界借鉴之后，马佐莱如今渴望有所回馈。她说，包括塑料和汽车电池在内的许多现代技术，在开发时几乎没有考虑到它们在生命周期结束时会对环境造成怎样的影响。

她希望确保机器人学不会重蹈覆辙。这正是她和合作者们如今所称的"可持续机器人学"的灵感来源。这一理念有三大支柱：确保机器人对环境的影响降到最低；确保它们能为全世界各个社会经济背景的人们所使用；以及确保它们具有"共生性"，能同时为人类和自然带来益处。

更具体地说，马佐莱希望将生命周期的理念纳入机器人设计之中，使这些机器在其使用寿命结束时能够被重复利用、回收，甚至实现生物降解。

尽管这听起来颇具雄心，但她相信实现这一目标所需的所有要素都已具备。她确信，这一愿景将激励未来的机器人学家们。她说："有许多年轻人真心希望投身这个领域，因为这就是未来，是属于他们的未来。"面对持续的环境破坏威胁，"他们希望开发出真正能够有所帮助的东西。"

Q&A

Q1：什么是可持续机器人学？

A：可持续机器人学是芭芭拉·马佐莱提出的新研究领域，核心理念包括三大支柱：确保机器人对环境影响最小、让机器人惠及全球不同社会经济背景的人群、以及实现机器人与人类和自然的共生关系。

Q2：马佐莱开发的植物根系机器人有什么特别之处？

A：这款机器人模仿植物根系只在尖端生长的原理，通过微型3D打印机在尖端持续构建蛇形身体，从而高效穿透土壤，比传统钻头更省能量，同时尖端传感器还能避开障碍物、探测养分和水分。

Q3：为什么马佐莱认为机器人设计需要考虑生命周期？

A：她指出，许多现代技术如塑料和电池在开发时很少考虑生命周期结束后对环境的影响。她希望机器人在设计之初就纳入生命周期理念，使其在使用寿命结束后能够被重复利用、回收或生物降解。