来源:科研圈

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  撰文 武大可

  编辑 魏潇

  在人们的印象中,蟑螂往往与肮脏环境和疾病传播联系在一起,令人厌恶。但事情也并不总是如此,近十年有关研究逐渐揭示了蟑螂在灾害搜救等领域的前景。最近,一个国际团队完成了一项蟑螂-计算机混合系统研发,终于把蟑螂全面武装成了灾后现场稳定可靠的搜救专家。

  天选“负重者”

  非洲马达加斯加岛上的腐烂原木内,生活着二十多种大型蟑螂,马达加斯加发声蟑螂(Gromphadorhina portentosa)是其中最广为人知的一种。成虫体长可达 7.5 厘米,寿命可达五年。发声蟑螂使用气孔强力排出空气时,会发出响亮的“嘶嘶”声,它不但因此得名,还成了昆虫爱好者们追捧的宠物,并配以爱称“嘶嘶儿”(hisser)。

  得益于体型健硕却没有翅膀,它们“力能扛鼎”,能够在负载近十克重物的状况下保持灵活行动,因此也背负了昆虫-计算机混合系统研发的希望。5 月 23 日发表在 arXiv 的一项研究利用集成了众多组件的微型“电子背包”,将嘶嘶儿武装成了灾后现场的搜救专家。

马达加斯加发声蟑螂。来源:Wikipedia马达加斯加发声蟑螂。来源:Wikipedia

  遥控蟑螂

  马达加斯加发声蟑螂被研发者们盯上并不是新鲜事。研究昆虫神经科学的学者们很早就已开始了解它们触角和背部的神经系统,近十年前就开始对它们动起了真刀。2012 年,美国北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的研究者就已经能够通过向这种蟑螂的触须施加电刺激控制其行进方向了。这一过程被研究者比作了骑马:包含了微控制器、信号接收器、脉冲电极和电池的电子背包就如同骑手,与蟑螂触须相连的电极则是缰绳。唯一与骑马相反的是,通过一侧“缰绳”传递的电脉冲信号会使蟑螂认为该侧存在障碍物,从而转向另一方向。

背着电子背包的蟑螂沿着指定路线行进。来源:团队官网背着电子背包的蟑螂沿着指定路线行进。来源:团队官网

  这些研究开创性地实现了对蟑螂行进方向的操控。但因技术制约,笨重的电子背包使得蟑螂步履维艰,短短一米左右的路程需要花费一分钟才能爬完。加之能耗大、电池容量低,过短的续航大大限制了实用价值。

  不过,电子背包的优化空间很大。最近几年出现了更加紧凑的设计,可以让蟑螂轻装上阵。2015 年,美国得克萨斯农工大学(Texas A&M University)的研究者在《皇家学会期刊-界面》Journal of the Royal Society Interface)上介绍了改良版蟑螂电子背包。它的控制器和无线接收器尺寸都被优化得更小,使得蟑螂的行动更加便利,甚至连体型稍小的美洲大蠊(Periplaneta americana)都可背负。这项研究还引入了纠错机制,当蟑螂没有正确响应信号刺激时,系统会自动再次释放脉冲,纠正蟑螂的前进方向。

轻量化的无线电子背包 来源:论文轻量化的无线电子背包 来源:论文

  随着昆虫神经研究和电子技术的进步,电子控制背包也开始走出实验室。专注生物神经系统的公司 Backyard Brains 从 2013 年起,开始面向消费者开发开箱即用的蟑螂控制系统,并在 2015 年推出了成熟的蟑螂控制套件 RoboRoach Bundle,让感兴趣的人在家也可以享受一把“遥控蟑螂”的乐趣。一并在官网开放售卖的还有蟑螂手术箱、蟑螂医疗箱等配套产品,以及活体蟑螂。

Backyard Brains 官网商店中的蟑螂相关产品。来源:公司官网Backyard Brains 官网商店中的蟑螂相关产品。来源:公司官网

  Backyard Brains 提供了不少“手术”教程和效果展示视频。这一装置并不需要操作者拥有太多的学科知识或技术手段,便可跟随视频教学完成安装植入:为了防止蟑螂乱动干扰手术,需要先用冰水麻醉它,然后将电极插入修剪后的触角即可完成连接。包括电极在内的所有组件都将由胶水固定在蟑螂身上。从麻醉中苏醒的蟑螂既能有线连接到套件进行信号分析,也能够通过蓝牙连接,在一定距离内由智能手机等设备无线操控。

  在精确高效控制蟑螂爬行方向这个领域,技术研发已经较为成熟。但蟑螂顽强的生存力所提供的潜力不止于此,研究者们也并不满足于在实验室和花园里玩弄蟑螂。他们的终极目标是将蟑螂培养成灾害现场的搜救专家。要做到这一点,需要这块电子背包具备更多的组件、更高的性能。

  例如,实际搜救场景中,仅数分钟的续航显然不足以完成任务,这需要更高储量的电池和更低的能耗。搜救并无既定路线,需要根据现场情况决定方向,而远离蟑螂的控制端要做出正确判断,需要电子背包传回更多图像或声音信息。以 Backyard Brains 的套件为例,电子背包仅能进行无线控制信号接收,而并没有任何信号传感和发送功能,即使是通过电极获取的神经电信号,也需要通过电缆有线连接到设备才能读取。更何况图像分析、避障路线计算等工作需要相当的运算量,在大量搜救蟑螂同步工作时,便携的控制终端可能很难满足算力需求。2015 年得克萨斯农工大学制成的电子背包已“重达” 3g,却只能维持 2 小时续航,且美洲大蠊在进行 1 小时连续实验后,就不得不休息来让行动力从疲劳中恢复。若以简单叠加方式在电子背包中新增更多传感、计算和通信组件,续航和重量的压力将进一步增加。

  更小、更便捷

  5 月发布在 arXiv 的最新研究提供了针对这些障碍的解决方案,通过更彻底地融合昆虫平台和微控制器技术,创造了有史以来第一个专为搜救任务设计的完整昆虫-计算机混合系统。这一设计在电子背包中加入了红外摄像头、CO2 传感器、闪存等元件,并在蟑螂尾部加入电极读取蟑螂自行导航时与障碍信息有关的神经电信号。在了解蟑螂本身对障碍物的感知和对可行路径的判断后,再与定制的导航控制算法结合,使用机器学习用红外图像和其他信息检测人体存在、进行路线推算,即使在复杂地形下也能通过昆虫-计算机的“协商”(negotiation)进行高效的探索。

  这一结构降低了对外部控制的需求,使得系统依靠自身就能完成检测、寻径和方向控制。新技术与蟑螂自身更紧密的结合也降低了算力和能源需求,使装置的续航时长达到了一个小时,足以满足相当范围的搜求需求。装置较高的集成度也有效控制了重量,整体重约 5.5g。研究者称,这一系统在实验条件下有 94% 的搜救成功率。

  这合理吗?

  不过,随着昆虫-计算机混合系统越来越接近实际应用,这个问题也带来了担忧。蟑螂还活着,也有自己的感知,却不能控制自己的行动,沦为了电子背包的傀儡,这是否有违伦理?一些相关研究和开发人员受到了指责。Backyard Brains 的创始 CEO Greg Gage称,RoboRoach 曾面临动物权利组织 PETA 的异议、被当地政府调查,甚至还收到了一些动物权利活动家的仇恨邮件和死亡威胁。尽管 Greg Gage 认为公司产品没有违反任何法律,但反对者指出这些产品在密歇根州和其他一些地区可能是非法的。加拿大女王大学(Queen’s University)的教授 Michael Allen Fox 就在接受 Science 采访时指出,“鼓励将复杂生物视为纯粹工具”的思想是错误的。

  网友在 Backyard Brains 的视频下方评论:“一天天地……我们变得越来越像弗兰肯斯坦。” 来源:YouTube

  Backyard Brains 不得不在产品和宣传中提醒用户遵守法律。但 Greg Gage 坚持认为这些神经系统和其他领域的研究发展至关重要,并且将这些技术工具普及给大众也是对研发的一种鼓励。


新闻来源:新浪