大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 翻滚吧,虫虫特工!

翻滚吧,虫虫特工!

昆虫对你来说或许是恶心又招人烦的讨厌鬼,对某些人来说是心心念念爱之不够的宠物宝贝,而对科学家来说,这些生命力顽强的小东西或许很快会成为超级虫虫特工。

biotbot.jpg

 

怎样让虫虫变特工

从似蛇般在平面游走的蛇形机器人,到相对较大的六腿蟑螂机器人,许多机器人的产生源于人们从自然生物身上所获得的灵感。但是当涉及可飞行微型仿生机器人时,制作就十分困难了。
美国哈佛大学的一个独立研究小组进行了多年研究,成功将复杂的飞行机制(微型天线、神经控制系统以及电源)微缩成一个一美分大小的虫虫机器人——机器蜜蜂。其制作工艺异常复杂,每个部件的制作文字说明大概得20张纸才说得清。虽然这个机器蜜蜂确实能够在他们的实验室里飞起来,但是其飞行轨迹很不稳定,机器蜜蜂翅膀扇动时的一个小小失误就会让它失去平衡。
所以说,小小昆虫的飞行机制其实一点都不简单,所以与其从头开始,一点点拼凑出效果并不令人满意的仿生机器人,不如和这些有机生命体做些结合,利用它们本身的飞行智慧来解决这样的问题。例如,在美国北卡罗来纳州立大学的电气工程师、计算机工程师阿尔珀·博兹库尔特的眼中,昆虫是大自然的杰作,是奇迹般存在的天然机器人,它们能够灵活地飞行或者爬行,比工厂制作的机器部件强上百倍。他想要用飞蛾和蟑螂构建一支虫虫特工大军,在关键的时候,这支虫虫军团或许能够拯救人的性命。
10年前,博兹库尔特还是个学生,他跟随老师学习微机电系统(智能手机里的陀螺仪、压力传感器等都是利用这种微机电系统的传感器,可以帮助手机识别上下方向,移动速度等信息)。博兹库尔特注意到,飞蛾这种昆虫本身就是集合了各种微机电传感器的空气动力学“专家”。
他想要给虫虫们背上装备,通过电路和传感器向它们发送命令,控制它们的动作。飞蛾特工可以背着WiFi接收器,成为空中信号站,而体型更大的地面蟑螂载重能力更强,可以背着微型话筒、气体传感器以及其他重要的传感设备。博兹库尔特希望人类未来可以充分利用这些虫虫特工,把它们变成救生超人、救援专家;也可以把它们变成谍战先锋,秘密窃听目标人物的对话;这些体型小的飞行军和爬行军还可以进到人类难以深入的地下、山洞,勘探绘制地图,完成人类无法单独进行的地质勘测。

小小飞蛾特工.jpg

 

怎样“黑”掉一只飞蛾

如何把一只飞蛾改造成机器特工呢?当蛾在茧蛹中时,它的身体会发生变态变化,这一过程中飞蛾的身体组织对于外部材料能够很好地适应。博兹库尔特的研究小组人员在蛹上开出一个微小的口子,将三根连接线植入正在经历变态过程的飞蛾,三根连接线连接在未来飞蛾大脑和颈部的位置。一周后,当蛾孵化成型,三根连接线已经与它们的新身体完美地结合在一起。
从某种意义上来说,自然界所有生物的活动都是建立在电信号的传输之上的。你移动你的手臂,可能都用不到1秒钟时间,但是想要完成这个简单的动作,你的大脑必须向你的身体发送电信号指令,这些指令通过神经元传输到你的脊椎和肌肉,然后相应的部位就能够即时完成相应的动作。对于飞蛾来说也是一样,大脑发送给肌肉的这些电信号控制着飞蛾振翅的动作,决定着下一步是向左飞还是向右飞。
理论上来说,只要博兹库尔特可以通过连接线向飞蛾的身体发出正确的电信号,就能够控制它的活动。他们为飞蛾装上了相应的控制设备,又附加一个极小的氦气球来平衡设备重量,通过反复实验,他们真的能够通过下达指令,操纵飞蛾的活动,甚至可以让飞蛾在空中绕圈圈。而对于飞蛾来说,这样被控制似乎也不算什么痛苦的事,因为在此过程中它没有任何挣扎或者反抗的行为,飞行过程十分顺畅,它的身体能根据指令完成飞行,而它的大脑大概还没发育到能够明白发生了什么的地步。总之,飞蛾就像一台计算机一样,被人类给“黑”了,完全听命于人类。通过这样的方式,博兹库尔特创造出一个独特的虫虫机器人,比任何人造仿真机器人的性能都要好得多。
当然,如果飞蛾机器人一直绑着个小气球飞,恐怕有点引人注目,不好实施秘密行动。博兹库尔特计划在几年之内,通过改进将整套昆虫装备的电荷载再降低一些,届时飞蛾不需要再背着个小气球,就可以更顺畅地完成飞行。

蟑螂机器人背包上阵.jpg

 

把蟑螂变成陆战部队

2010年,博兹库尔特在美国北卡罗来纳州设立了自己的实验室,在美国国家科学基金会的资助下,他希望能够把在飞蛾身上实现的研究成果应用到蟑螂身上。这样一来,蟑螂可以背着一个装载了各种传感器的负重战斗背包,实施营救任务。
同样地,他们通过为蟑螂配备多种传感器,使得蟑螂能够在人为操控下顺畅地沿指定路线移动。与飞蛾不同,蟑螂属于不完全变态发育昆虫,成长过程中不会像飞蛾一样结茧变身,所以不能像对待飞蛾一样在其身体里植入连接线,取而代之,科学家们将传感器及信号发送系统与蟑螂的触角相连,而触角本身就是蟑螂感知外部环境,接受指令的天然天线。
科学家对手术技术做了升级完善,利用蟑螂的本能反应,通过控制其触角接收的信息来引导蟑螂左右移动,把它变得像个遥控汽车一样。通过反复实验,研究人员不仅能够控制蟑螂让其沿着S线爬行,还能够通过无形的电子围栏将蟑螂机器人困在某个区域范围。通过向蟑螂传递虚假信息,让蟑螂以为周围有难以越过的电子围墙,而实际上周围什么都没有,这项技术以后可用于召集蟑螂机器人大军,具有重要作用。
下一步,博兹库尔特希望制造出全自动的蟑螂机器人。他通过配置运动跟踪软件,让蟑螂按照指定的路线行进。蟑螂的小背包上配置有摄像头追踪设备,一旦蟑螂偏离目标,软件会立即发送相应的电子信号,指示蟑螂朝正确的方向爬行。
通过对传感系统和操纵软件的不断调整升级,未来这些背着相机装备的小虫子们,有可能会成为重大灾难救援队伍中的重要帮手。它们可以沿着一定的路线精确行进,能够穿越废墟和瓦砾,在狭窄的空间内搜寻幸存人员,通过摄像机还能够将现场信息实时反馈给救援人员。
未来,当博兹库尔特的飞蛾军团和蟑螂军团都成型之后,将会实现陆空部队大会师。届时,飞蛾军团在空中俯瞰蟑螂军团,可以通过设备接收到蟑螂机器人采集的数据,连同空中的影像一起传给人类监测仪器。空中的飞蛾和地面的蟑螂彼此照应,可更好地、更高效地完成营救任务或者监控命令。
如果一切成真,一种新型的生物会出现在我们身边,它们拥有自然赐予的灵活身体,同时集合了人类的智慧结晶。随着不断注入新的科技力量,恐怕连七十二变、无所不能的孙悟空也无法阻挡这些虫虫特工的超级力量。

 

本文源自大科技*科学之谜 016年第7期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号:hdkj1997 

 

---

转载请注明本文标题和链接:《翻滚吧,虫虫特工!