在阿姆斯特丹的一个物理实验室里，有一种轮子可以通过摆动自动上坡。

这个“奇异轮子”看起来很简单。六个小马达由塑料臂和橡皮筋连接在一起，形成一个直径约6英寸的环。当马达启动时，它开始扭动，执行复杂的挤压和拉伸动作，偶尔还会飞到空中，同时缓慢地沿着颠簸的泡沫坡道前进。

奇异轮子的非正统运行模式体现了最近的一种趋势。物理学家正在寻找方法，让服从简单规则的简单部件组装起来的机器人自发地产生有用的集体行为。有科学家将之称作做机器人物理学。

运动是生物最基本的行为之一，这个问题长期以来一直困扰着生物学家和工程师。我们人类和其他动物遇到障碍和崎岖的地形时，会本能地从容应对这些挑战，但要搞清楚如何做到这一点并不那么简单。

工程师们一直在努力制造在现实环境中行进时不会翻倒或前倾的机器人，因为不可能通过编程让机器人预测它可能遇到的所有挑战。

由阿姆斯特丹大学的物理学家Corentin Coulais和芝加哥大学的Vincenzo Vitelli及其合作者开发最近发表预印本文章，描述了奇异轮子体现了一种非常不同的运动方法。

轮子的上坡运动来自于其每个组成部分的简单振荡运动。虽然这些部分对环境一无所知，但轮子作为一个整体会自动调整其摆动运动，以补偿不平整的地形。

除了指导设计更强大的机器人，这项新研究可能会促进对生命系统物理的洞察，并启发新材料的开发。

奇异轮子理论源于科学家过去对“活性物质”物理学的研究。“活性物质”是一个概括性术语，指的是系统的组成部分从环境中消耗能量，比如细菌群、鸟类群和某些人造材料。能量供应产生丰富的行为，但它也导致不稳定，使活性物质难以控制。

假设你挤压固体的一边，使它在垂直方向向外膨胀。你也可以沿着旋转45度的轴拉伸和挤压它，把它扭曲成一个钻石形状。在一个普通的被动固体中，这两种模式是独立的，在一个方向上变形固体不会沿任何一个对角线变形。

在一个活跃的固体中，研究人员表明，这两种模式可以有非互易耦合。在一个方向上挤压固体也会沿着旋转45度的轴挤压它，但沿着这条对角线挤压会沿着原轴拉伸，而不是挤压。在数学上，描述这两种模式之间耦合的数字在一个方向上是正的，在另一个方向上是负的。由于符号差异，物理学家称这种现象为“奇异弹性”。

在一个奇异弹性固体中，消除变形并不像扭转产生变形的拉伸和挤压运动那么简单。相反，使固体恢复到初始形态的变形循环会给它留下一些多余的能量。这产生了惊人的后果，比如使奇异轮子能够上坡运动。

既然研究人员已经设计好了奇异物质的组成部分，现在是时候组装它们了。许多模块以正确的方式连接，将类似于设想的奇异弹性固体。如果这些模块用共享的臂连接在一起，形成一个轮子，会发生什么？

当研究团队为马达提供动力时，这个回路开始摆动，以45度角的相似角度交织着拉伸和挤压。它在奇异弹性理论的两种自变形模式之间来回切换。相邻电机的极限环振荡在整个车轮的集体运动中产生了一个极限环。奇异的电机耦合为车轮的运动单独指明了一个方向，一个方向是下坡，另一个方向是上坡。在每个极限循环过程中产生的能量使轮子能够推动地面并向上滚动。

很难确定为什么轮子的上坡运动如此强劲，这恰恰是因为它的极限环是一个紧急现象，而不是你仔细观察任何单独的模块时所看到的。研究人员怀疑，每对马达的极限环振荡极大地限制了车轮可能的集体运动。从低水平振荡中出现的集体运动在生物学上有相似之处，动物是许多相互关联的振荡组件，它们必须一起工作。

在最近的实验之前，奇异的相互作用是否会导致运动并不是很明显。每个马达只对相邻的马达作出反应，但轮子仍然向前移动。这种自上而下控制的缺失特别吸引了生物学家的兴趣，他们试图了解没有指定的领导者的蜂群是如何合作的，以及没有神经系统的原始动物是如何寻找食物的。

奇异轮子是真正的新奇事物，但在在机器人、机器和材料的设计中，生物灵感有其局限性，对生物简单的模仿可能并没有真正洞察其本质。