你也许见过会走路、会翻跟头的机器人，但它们背后几乎都离不开芯片和程序代码。但如果我告诉你，有一台机器人，它的“计算”不是靠电路，而是靠振动，你信吗？
天津大学机械工程学院的研究团队，近日在《自然通讯》（Nature Communications） 上发表了一项最新成果。他们造了一台超材料机器人，它没有传统的处理器，却能用弹性波完成微积分、逻辑运算，甚至根据计算结果自主转向和爬行。
01.
什么是超材料机器人？
超材料是一类人工设计的结构材料。它的特殊之处在于，材料的性能不只看成分，更看排列方式。换句话说，超材料的神奇之处在于，科学家可以通过设计微小的单元结构，比如特定形状的金属环、弹簧-质量系统、蜂窝状格子等，让整个材料表现出自然界中不存在的物理特性。
在这项研究中，机器人身体由一排六边形模块组成，模块之间用弹簧片连接。底部设计了锯齿状的支脚，前后摩擦力不同，这为后续的运动奠定了基础。
关键的设计是，机器人的身体被分成了三个功能区域，类似于一台机械版的傅里叶光学计算机。第一个区域对输入的振动波做“傅里叶变换”，可以理解为把一段复杂的振动，拆解成不同频率的成分；第二个区域执行具体的计算，比如微分、积分；第三个区域再做一次逆变换，把修改后的频率成分翻译回原来的振动波形，输出结果。
而这个输出波形在机器人身体上的分布是不均匀的。有的地方振动强，有的地方弱。机器人的锯齿状支脚对不同方向摩擦力的响应不同，于是振动强的那一侧就会走得更快或更慢，机器人就会转向或直行。
值得注意的是，整个过程不需要任何电子芯片，完全是机械结构自己在“算”。
超材料机器人及其组件的示意图和实验模型
02.
它真的会“算数”吗？
会，而且算的还不止一种。
研究人员展示了多种模拟计算功能。比如，通过调整中间层的质量分布，机器人可以对输入的波形做一阶微分或一阶积分。理论上，它还能做卷积、解积分-微分方程。
更让人意外的是，这台纯机械装置还能实现数字逻辑。
他们把“有信号”当作二进制“1”，“无信号”当作“0”，用同一套结构实现了 AND（与）、OR（或）、XOR（异或） 逻辑门。这意味着，它可以执行二进制运算，虽然不是电子计算机的速度，但原理上是完备的。
研究中最吸引人的，是他们用机械波模拟了类量子态的矩阵运算。
他们把两路信号当成一组“状态对”来处理，也就是把两个信号看作一个组合，类似00、01、10、11这样。然后，利用双缝干涉、衍射这些经典的波动现象，在机械结构里完成了矩阵乘法。
换句话说，这台机器人可以在机械层面完成2×2 或 4×4 的矩阵乘法，这是很多信息处理任务的基础。
不过，论文特别强调，这只是一种数学上的类比，与真正的量子计算无关。
03.
一次输入，多个任务并行
传统计算设备一次只能做一件事。但这项研究展示了一个有意思的特性：非线性谐波。
当输入一个基础频率的振动时，由于材料的非线性，系统会自动产生倍频和分频成分。简单说就是，一个输入，自动附带多个不同频率的成分。
有意思的是，这些不同频率的波在同一个身体里传播时，计算规则是不一样。也就是说，同一个输入，不同频率的波在“算”不同的东西。
但多件事一起算，输出是混在一起的，怎么办？
机器人后端加了一层周期性滤波层，它的作用相当于一个频率筛选器。论文描述了两种工作模式：一种是让所有频率都通过，实现多任务并行输出；另一种是只保留特定频率，甚至可以将不同谐波的计算结果翻译到同一频率上，方便后续处理。
这相当于在同一台硬件上，实现了频域上的并行计算。
04.
能直行、转弯、追目标
论文中最扎实的部分，是大量的机器人爬行实验。研究人员用激光振动仪测量不同位置的振动幅值，然后观察机器人如何运动。
结果很惊喜！
当输出波形对称时，机器人直行；当波形偏向左或右侧时，机器人会相应转向；他们甚至演示了目标追踪：输入信号随目标位置变化，机器人通过微分运算自动调整方向，实现负反馈跟踪。
在更复杂的路径测试中，这台机器人完成了90度直角弯、C形弯、锐角/钝角转弯，并成功绕过多个障碍物从起点走到终点。它还展示了负重、跨越缝隙、爬坡等能力。
机器人爬行实验演示
所有这些行为，都没有用到任何电子控制，全部由机械波的计算结果直接驱动。
05.
未来与结语
这个新的发明并非要取代现在的计算机或机器人。它的价值在于提出了一种不同的可能性——智能不一定非要用芯片实现。在高温、强辐射、需要长期免维护的场景等特殊环境下，电子设备可能失效。这时候，一台纯机械的、会算数的机器人，或许就是一个值得尝试的解决方案。
当然，这项研究还处在实验室阶段。它的计算精度、速度、可扩展性都还有很大提升空间。但它的思路很有意思，把计算编织进材料本身，让身体成为大脑。这也许就是具身智能的一个生动注脚。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71368-1
